在宏觀世界中，衰變是無情的：破碎的物質(zhì)無法重新組裝起來，比如你不能把破碎的鏡子再組裝回來原樣。然而，在量子世界中，其他定律也是有效的：新研究表明，所謂的準(zhǔn)粒子能夠衰變并重新組裝自己，因此幾乎是不朽的。

這些都是開發(fā)持久數(shù)據(jù)存儲器的良好前景。俗話說，沒有什么是永恒的，物理定律證實(shí)了這一點(diǎn)：在我們的星球上，所有過程都會增加熵，從而導(dǎo)致分子無序。例如一個(gè)破碎的玻璃杯再也不能把自己重新組裝起來。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)和馬克斯·普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在日常世界中看似不可思議的事情在微觀層面上是可能的。到目前為止，人們的假設(shè)是，相互作用量子系統(tǒng)中的準(zhǔn)粒子在一段時(shí)間后會衰變。現(xiàn)在知道事實(shí)恰恰相反：強(qiáng)相互作用甚至可以完全阻止衰變。晶體中的集體晶格振動，即所謂的聲子，就是這種準(zhǔn)粒子的一個(gè)例子。準(zhǔn)粒子的概念是由物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主列夫·達(dá)維多維奇·蘭道(Lev Davidovich Landau)提出。

數(shù)值方法開辟了新的視角

用它來描述許多粒子的集體狀態(tài)，或者更確切地說，由于電磁力的相互作用，由于這種相互作用，幾個(gè)粒子就像一個(gè)單獨(dú)的粒子。到目前為止，還不清楚在相互作用的系統(tǒng)中，哪些過程會影響這些準(zhǔn)粒子的命運(yùn)，直到現(xiàn)在，才擁有了能夠計(jì)算復(fù)雜相互作用的數(shù)值方法，以及性能足以求解這些方程的計(jì)算機(jī)。該研究的第一作者魯本·弗雷森(Ruben Verresen)說，精細(xì)模擬的結(jié)果是：

無可否認(rèn)，準(zhǔn)粒子確實(shí)會衰變，但新的、相同的粒子實(shí)體會從碎片中出現(xiàn)。如果衰變速度非常快，一段時(shí)間后就會發(fā)生相反的反應(yīng)，碎片就會再次聚合。這個(gè)過程可能會無休止地重復(fù)，在破碎和重生之間出現(xiàn)持續(xù)的振蕩。從物理的角度來看，這種振蕩是一種轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的波，根據(jù)波粒二象性，這是可能的。因此，“不朽”準(zhǔn)粒子不違反熱力學(xué)第二定律。它們的熵保持不變，衰變已經(jīng)停止。

現(xiàn)實(shí)的檢驗(yàn)

這一發(fā)現(xiàn)也解釋了迄今為止令人困惑的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家已經(jīng)測量出磁性化合物Ba3CoSB2O9具有驚人的穩(wěn)定性。其他準(zhǔn)粒子，如旋子，則確保了氦這種地球表面的氣體在接近絕對零度時(shí)變成了液體，可以不受限制地流動。研究純粹是基礎(chǔ)研究，然而，完全有可能有一天，研究結(jié)果甚至?xí)?yīng)用于應(yīng)用領(lǐng)域，例如為未來量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建持久的數(shù)據(jù)存儲。物質(zhì)的量子態(tài)，如固體、磁體和拓?fù)湎?/strong>，通常表現(xiàn)為集體激發(fā)(例如聲子、馬格農(nóng)子和任意子)。

這些涉及到系統(tǒng)中許多粒子的運(yùn)動，引人注目的是，行為就像一個(gè)單一的涌現(xiàn)實(shí)體——準(zhǔn)粒子。準(zhǔn)粒子被認(rèn)為是在最低能量下長期存在，當(dāng)遇到高能量下不可避免的多粒子激發(fā)態(tài)連續(xù)體時(shí)，準(zhǔn)粒子預(yù)計(jì)會變得不穩(wěn)定，而高能量下的多粒子激發(fā)態(tài)在運(yùn)動學(xué)上會衰變。雖然這對于弱相互作用是正確的，但研究證明了強(qiáng)相互作用通過將準(zhǔn)粒子推出連續(xù)體來穩(wěn)定它們。這一普遍機(jī)制是直接說明在一個(gè)精確可解的模型。

利用最先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)它在自旋1/2三角形晶格海森堡反鐵磁(TLHAF)中起作用，這是令人驚訝的預(yù)期。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究確定了TLHAF材料2 Ba3CoSb2O9中避免衰變的詳細(xì)現(xiàn)象學(xué)，甚至在準(zhǔn)粒子衰變的最早實(shí)例之一：液氦中也是如此。該研究將普遍的低能量定律之上的各種現(xiàn)象綜合起來加以描述。這拓寬了對多體激發(fā)態(tài)的理解，為在強(qiáng)相互作用狀態(tài)下控制和穩(wěn)定量子物質(zhì)提供了一個(gè)新視角。

博科園｜研究/來自：慕尼黑工業(yè)大學(xué)

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0535-3

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普