在一项近期发表于《自然·物理学》的研究中,德国马克斯普朗克研究所的鲁本·费雷森与合作者报道了一种可以不断衰变随后又“重生”的准粒子。这种长生不老的现象,是如何发生的?论文的共同作者、慕尼黑大学理论固体物理学教授弗兰克·波尔曼解释说,强大的量子相互作用可以阻止准粒子的衰变。准粒子这个概念由苏联著名物理学家朗道在费米液体理论中首先引入。
所谓的准粒子其实不是一种真实的粒子,它可以被看成一种由大量电子相互作用产生的集体激发现象。准粒子不像电子这种真粒子那样能在真空中存在。它是在凝聚态物质中才能存在的“粒子”。这就如同声音不能脱离空气介质而存在。也就是说,准粒子是在凝聚态物质中,电子之间因为电磁相互作用而具有的性质,这是一种粒子激发态。准粒子的物理本质,其实是一种量子相干叠加。在费雷森等人的研究中,他们通过计算机模拟了一种磁振子。
这种磁振子有一种令人称奇的特征:它们能在衰变与重生之间往复,形成一种“长生不老”的现象。这具有重要的物理意义,因为大多数准粒子都不能长生不老,而是会衰变的。在最新研究中,费雷森等人考虑的是一组具有海森堡反铁磁性的电子。所谓海森堡反铁磁性,是指一群电子整齐排列在一起,但相邻电子的自旋方向是相反的。在这样的系统中,所有的自旋相互作用会激发出磁振子。
但是,因为自旋与自旋的相互作用是一种磁偶极相互作用,这种相互作用的能标很低,一旦温度升高,这个系统就会被破坏。根据新研究中的模拟,这些磁振子确实会衰变,但与此同时,等量的新磁振子又会涅槃重生。为什么会发生这种现象呢?费雷森等人认为,当材料晶格常数比较小的时候,电子之间的距离很近,电子与电子之间的波函数重叠度较高,这时“电子之间很强的相互作用”使得准粒子能够重生。这个发现可以解释之前的物理实验。
在之前的实验中,物理学家发现磁性化合物Ba3CoSb2O9非常稳定,当时科学家无法解释它的稳定性。而根据费雷森提出的“长生不老”的准粒子理论,Ba3CoSb2O9看起来可能包含这种“长生不老”的磁性准粒子——不过目前这还只是猜测,需要进一步的研究得出答案。这种准粒子可能在量子计算机的建造中发挥作用,因为它可以帮助量子计算系统维持持久的存储数据能力。