準粒子描述的是一類自發產生的、行為和特點類似粒子的物理實體。準粒子不斷被發現，現象也一個比一個更奇異。下面我們就來介紹一些最為奇特和最具潛在應用的準粒子。

哈里·金（Harry Kim） 是美國航海家號星際飛船上的一名軍官，他在另一個世界中醒來，用一束極化子(polaron)彎曲了時空連續體。聽起來像是科幻小說？對，但不全是。

“星際迷航常常借用一些真實準粒子的名字，然后賦予它們一些神奇的特性。”德克薩斯州萊斯大學的物理學家道格拉斯·納泰爾森(Douglas Natelson)說。他的工作是創造真實存在的準粒子。

準粒子是粒子的一種。17個“基本”粒子被認為是所有物質的組成部分，準粒子雖被擋在基本粒子的門外，卻是從這些基本粒子間的復雜相互作用中出現的。物理學家可以把由大量粒子組成的固體、液體或等離子體置于極端的溫度和壓力下，并將此條件下的系統描述為幾個“魯棒的、類似粒子的”實體。出現的準粒子可以非常穩定，具有質量和電荷等完全定義的性質。

例如，極化子是在1933年由列夫·朗道(Lev Landau)發現的，它客串了1995年的《星際迷航：旅行者》。當一些電子被困在晶體中時，極化子就出現了。每個電子和它周圍的所有粒子之間的吸引和排斥作用“修飾”了電子，使它表現得像一個質量更大的準粒子。

在過去幾十年里主導研究的其他類型的凝聚態物質中，事情開始變得非常奇怪。研究人員可以創造出具有任意精確分數倍電子電荷或自旋（一種內稟角動量）的準粒子。這些奇特的特性是如何產生的，目前還不清楚。馬里蘭大學的凝聚態物理學家桑卡爾·達斯·薩爾瑪(Sankar Das Sarma)說：“這簡直就像魔法。”

通過直覺、有根據的猜測和計算機模擬，凝聚態物理學家已經能夠更好地計算出哪些準粒子在理論上是可能的。與此同時，在實驗室里，隨著物理學家將新材料推向新的極端，準粒子的世界迅速發展，變得越來越奇特。納泰爾森說：“這確實是一項杰出的智力成就。”

最近的發現包括π子(pi-ton)，不可移動的分形子(fracton)和扭曲的褶皺子(wrinklon)。牛津大學的理論凝聚態物理學家史蒂夫·西蒙說：“我們現在考慮的準粒子的性質是我們以前做夢都沒想過的。”

下面是一些最為奇怪和有潛在應用的準粒子。

用馬約拉納子進行量子計算

最早發現的準粒子是“空穴”(hole)，它的概念很簡單，就是在本該存在電子的位置沒有電子。二十世紀四十年代的物理學家發現，空穴可以像帶正電的粒子一樣在固體中跳來跳去。

更奇怪的、也更有用處的是假想的馬約拉納準粒子，它有一種分裂的特性：它同時是半個電子和半個空穴。“就是這么瘋狂。”達斯·薩爾瑪說。

2010年，達斯·薩爾瑪和他的合作者認為，馬約拉納準粒子可以用來制作量子計算機。當電子和空穴在對方周圍移動時，它們就能存儲信息，就像將圖案編入兩根繩子。不同擰繩子的方法對應于1，0以及1和0的疊加，它們是量子計算中的比特。

到目前為止，由于大多數粒子的量子疊加狀態在高溫或與其他粒子碰撞時會失效，所以建造量子計算機的實驗都遇到了困難。馬約拉納準粒子則不是這樣。它們不尋常的成分賦予它們零能量和零電荷的特性，這理論上允許它們存在于某種超導體的深處。超導體在導電時具有電阻為零的特性，那里不可能存在其他粒子，從而形成一個“間隙”，這樣馬約拉納子就不可能衰變。“超導間隙保護了馬約拉納子。”達斯·薩爾馬說——至少在理論上是這樣。

自2010年以來，實驗學家們一直在競相使用超導體、納米線和磁場的復雜組合來制造真正的馬約拉納準粒子。2018年，一組研究人員在《自然》雜志上報告說，他們觀察到了馬約拉納子的關鍵特征。但外界專家對數據分析的某些方面提出了質疑，2021年3月早些時候，這篇論文被撤回。

想象出一個可能的準粒子是一回事，在接近絕對零度的實驗中觀察到它又是另一回事，樣品的每個原子都要待在正確的位置，微小的雜質就能毀掉一切。薩爾瑪并沒有被嚇倒。“我向你保證，馬約拉納子將會被觀測到，因為它的理論是嶄新的。這是一個工程問題；這不是物理問題。”

用極化激元構造黑洞

準粒子的世界正變得越來越龐大，一系列不同尋常的特征給物理學家提供了可以建造各種系統的工具箱。這些系統可以是很難或者根本不可能觸及的，比如說黑洞。

巴黎索邦大學卡斯特勒-布羅塞爾實驗室的馬克西姆·雅克(Maxime Jacquet)說：“有了這些類似物，我們便想去探索我們用手無法觸及的物理現象。”

宇宙中某些地方引力變得非常強，以至于光也無法逃脫，這就是黑洞。你可以模擬一個簡單的黑洞：把浴缸里的塞子拔出來，看著水順著排水口打旋。太靠近排水管的水波不可避免地會被吸入漩渦。雅克和他的合作者用極化激元進行了更好的模擬。

旋轉的極化激元流體類比旋轉的黑洞。第一張圖顯示了不同位置的流體密度，中間較暗區域的邊緣就像黑洞的事件視界。第二張圖中，流體的相位圖顯示了它的渦流。

極化激元可以看成是物質和光的混合體。研究人員用兩個反射鏡將光子困在一個籠子里，籠子里也有一個激子(exciton)，激子本身是一種準粒子，由一對相互環繞的電子和空穴組成（不同于馬約拉納準粒子，激子是在同一時間在同一地點的半個電子和半個空穴。）光子在反射鏡之間來回反彈大約一百萬次后才能逃逸出去，當它反彈時，光子與激子混合形成一個極化激元。許多光子和激子以這種方式被囚禁起來并結合在一起，這些極性子的行為就像液態光（liquid light）一樣，沒有摩擦，也不會散射。研究人員設計了這些極化激元的流動來模擬光在黑洞中的運動。

液態光不穩定，并且光子最終會逃逸出去。正是這個會漏的籠子讓雅克研究黑洞是如何隨時間演化的。諾貝爾獎得主、數學物理學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）提出一個理論，他認為旋轉的黑洞會失去能量并逐漸減速；雅克計劃用極性子來驗證這一觀點。

“沒有人能用天體物理學告訴你這一點，但我們可以。”雅克說，他承認，這是從實驗室到實際黑洞的一個“飛躍”。

永不衰變的磁振子

如果準粒子可以衰變，它最終一定會衰變。例如，一個磁振子——一個由在物質中運動的磁場組成的準粒子——可以衰變為另外兩個磁振子，只要這些產物的能量不大于原始磁振子的能量。

然而，準粒子是相當穩定的，大概有兩個原因：它們是從溫度非常低的系統中產生的，因此它們一開始幾乎沒有能量，而且它們之間的相互作用很弱，因此很少有擾動觸發它們衰變。哈佛大學凝聚態物理學家魯本·弗雷森（Ruben Verresen）說：“當存在大量的推力和拉力時，人們天真地認為衰變只會更快發生。”

但弗雷森的研究卻顛覆了這一觀點。在2019年發表的一篇論文中，他和他的同事描述了他們如何從理論上模擬衰變的準粒子，然后逐漸增強它們之間的相互作用強度，看看發生了什么。一開始，準粒子衰變得更快，正如預期的那樣。但是，讓弗雷森驚訝的是，當相互作用的強度變得非常強時，準粒子又反彈回來。他說：“突然你又有了一個準粒子，它具有無限長的壽命。”

研究小組隨后進行了計算機模擬，探索了超冷磁鐵的行為，他們看到不會發生衰變的磁振子。他們表明，他們對強相互作用準粒子的新理論，解釋了2017年磁振子實驗中一系列令人費解的現象。這些永恒的磁振子不僅僅是一個簡潔的理論，而是在自然界中實現的。

研究結果表明，準粒子可能比研究人員曾經認為的要強大得多。粒子和準粒子之間的界線變得模糊了。“我看不到根本性的區別。”弗雷森說。

準粒子是由許多粒子排列而成的。但我們所稱的基本粒子，如夸克、光子和電子，可能并不像我們想象的那么基本。一些物理學家懷疑這些表面上基本的粒子也是一種集體行為中演生（emergent）出來的——盡管從具體的情況來看，沒有人能這么說。

“我們不知道電子、光子等實際產生的基本理論。我們相信有一些統一的框架。”加州大學圣巴巴拉分校研究物質量子態的理論家利昂·巴倫茨(Leon Balents)說。“我們認為的基本粒子可能不是基本粒子；它們是其他理論的準粒子。”

原文標題：頂著“粒子”的名頭，我到底是誰？

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責任編輯:haq