準(zhǔn)粒子不同于通常所說的基本粒子，而是類似于基本粒子的物理實(shí)體，從大量基本粒子的相互作用中產(chǎn)生。不過，粒子和準(zhǔn)粒子之間的界線正變得模糊，那些所謂的基本粒子可能同樣是演生出來的，或許存在一個更大的框架將它們統(tǒng)一起來。
如何說到創(chuàng)造新的粒子，粒子物理學(xué)家想到的或許是，在越來越強(qiáng)大的對撞機(jī)中轟擊已有粒子，希望能從中碰撞出未知粒子。凝聚態(tài)物理學(xué)家考慮的則可能是，將材料置于不同環(huán)境下，比如極端低溫，或者扁平的二維平面，創(chuàng)造出具有新奇性質(zhì)的準(zhǔn)粒子。
根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，17種基本粒子組成了我們所在世界的一切物質(zhì)。那么什么是準(zhǔn)粒子（quasiparticle）呢？準(zhǔn)粒子也是一種粒子，不過準(zhǔn)粒子不屬于基本粒子，而是從大量基本粒子的復(fù)雜相互作用中產(chǎn)生，表現(xiàn)得像是一個粒子一樣。
物理學(xué)家可以將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強(qiáng)下，然后將整個系統(tǒng)描述為一些類似粒子的實(shí)體，也就是準(zhǔn)粒子。準(zhǔn)粒子可以相當(dāng)穩(wěn)定，并和基本粒子一樣，具有諸如質(zhì)量、電荷等固有性質(zhì)。
固體中一種常見的準(zhǔn)粒子是聲子（phonon）。在晶體中，原子規(guī)則排布形成三維晶格結(jié)構(gòu)，它們彼此之間像是由彈簧連接起來一樣，會發(fā)生集體振蕩，攜帶著熱量和聲音在材料中傳播。聲子就是這種振蕩模式對應(yīng)的準(zhǔn)粒子。在固體材料中，電子決定材料的導(dǎo)電性，聲子則決定聲音在材料中傳播的速度。正如光子是量子化的電磁波一樣，我們可以將聲子看作是量子化的聲波。
聲子是一種最常見的準(zhǔn)粒子。| NIST
再比如，朗道在1933年提出一種叫作極化子（polaron）的準(zhǔn)粒子。當(dāng)電子在固體材料中運(yùn)動時，會吸引周圍的正電荷而排斥負(fù)電荷，導(dǎo)致原子偏離原來的平衡位置，以有效地屏蔽電子，這使得電子表現(xiàn)得更像是一個具有更大有效質(zhì)量的準(zhǔn)粒子，也就是極化子。
極化子示意圖。| Wikipedia
在凝聚態(tài)物理中，還有其他更為奇特的準(zhǔn)粒子。例如，所有的基本粒子可以根據(jù)其自旋特性分為兩種類型：一種是半整數(shù)自旋的費(fèi)米子，比如電子，另一種是整數(shù)自旋的玻色子，比如光子。但一種叫做任意子（anyon）的準(zhǔn)粒子卻可以超越這個限制，它們既不同于費(fèi)米子，也不同于玻色子。（相關(guān)介紹參見《在微型粒子對撞機(jī)中尋找任意子+文小剛答疑 | 眾妙之門》）
物理學(xué)家簡直可以像擁有魔法一樣，創(chuàng)造出具有任意精確分?jǐn)?shù)倍電子電荷或自旋的準(zhǔn)粒子，即便我們還不清楚準(zhǔn)粒子為何會有這種奇特的性質(zhì)。通過直覺猜測、理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)模擬，凝聚態(tài)物理學(xué)家已經(jīng)能夠很好地計(jì)算出，哪些準(zhǔn)粒子理論上可能存在。與此同時，在實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將新材料置于更極端的環(huán)境，使得準(zhǔn)粒子家族迅速發(fā)展壯大，并變得越來越奇異。
發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)粒子的過程就像是一項(xiàng)卓越的智力挑戰(zhàn)。最近發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)粒子包括π子（pi-ton）、不可移動的分形子（fracton）和扭曲的褶皺子（wrinklon）等。牛津大學(xué)凝聚態(tài)理論物理學(xué)家Steve Simon說：“我們現(xiàn)在考慮的準(zhǔn)粒子具有以前從未真正夢想過的特性?！?/span>
下面是一些最令人好奇，也可能最為有用的準(zhǔn)粒子。
01
看不見的馬約拉納粒子
最早發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)粒子之一是“空穴”，即在本應(yīng)存在電子的地方?jīng)]有電子。上世紀(jì)40年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，固體內(nèi)部的空穴會像帶正電的粒子一樣四處跳躍。而一種更為奇特、可能也非常有用的準(zhǔn)粒子是馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion），理論上，馬約拉納粒子的反粒子就是其自身。但從粒子物理學(xué)的角度，至今仍未發(fā)現(xiàn)這種粒子，而在凝聚態(tài)物理中，它同時是半個電子和半個空穴，可以作為一種準(zhǔn)粒子。
2010年，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家 Sankar Das Sarma 與合作者認(rèn)為，馬約拉納粒子可以用來制造量子計(jì)算機(jī)。當(dāng)電子和空穴圍繞著彼此移動時，它們就能存儲信息，就像用兩根繩子編織成圖案一樣。不同的擰繩子方法對應(yīng)著0、1，以及0和1的疊加，它們是量子計(jì)算中的比特。
迄今為止，建造有效量子計(jì)算機(jī)的努力一直步履維艱，因?yàn)榇蠖鄶?shù)粒子的量子疊加態(tài)在溫度過高或與其他粒子碰撞時會分崩離析。但馬約拉納準(zhǔn)粒子沒有這種問題。
它們不同尋常的性質(zhì)賦予了它自身零能量和零電荷的特性，從而在理論上允許它們存在于一種特定類型的超導(dǎo)體中。那里不可能存在其他粒子，這就產(chǎn)生了一個“間隙”，使得馬約拉納粒子不可能衰變。也就是說，這個超導(dǎo)間隙保護(hù)著馬約拉納粒子。
自2010年以來，實(shí)驗(yàn)人員一直競相利用超導(dǎo)體、納米線和磁場的復(fù)雜組合，來構(gòu)建真正的馬約拉納粒子。2018年，一組研究人員在《自然》雜志上報(bào)告稱，他們觀察到了馬約拉納粒子的關(guān)鍵特征。但一些專家對部分?jǐn)?shù)據(jù)分析提出了質(zhì)疑，2021年3月，這篇論文被撤回。
設(shè)想出一種可能的準(zhǔn)粒子是一回事，在接近絕對零度的實(shí)驗(yàn)中觀察到它則是另一回事。樣品是由一個又一個原子組成，微小的雜質(zhì)就可能破壞一切。但 Das Sarma 沒有望而卻步，他認(rèn)為，“馬約拉納粒子一定會被觀測到，因?yàn)樗睦碚撌羌兇獾摹＿@只是一個工程問題，不是物理問題?！?/span>
02
用電磁極化子模擬黑洞
準(zhǔn)粒子家族不斷壯大，它們所具有的一系列不同尋常的特征為物理學(xué)家提供了豐富的武器，甚至可以用來模擬黑洞這樣的系統(tǒng)，幫助我們探索無法觸及的物理。
在宇宙中的一些區(qū)域，當(dāng)引力強(qiáng)大到連光線都無法逃脫時，就會形成黑洞。通俗地說，黑洞附近的景象有點(diǎn)類似于浴缸拔掉塞子時的情景：水圍繞著出水口旋轉(zhuǎn)，在距離中心太近時，會不可避免地被吸入漩渦。不過，一種被稱為極化子（polariton）的準(zhǔn)粒子可以用來更好地模擬黑洞。
極化子是一種類似于半光半物質(zhì)的準(zhǔn)粒子，當(dāng)粒子模擬晶格被冷卻到接近絕對零度時，會產(chǎn)生電磁極化子。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用兩面反射鏡將一個光子困在籠中，籠子里還有一個激子（exciton）。激子也是一種準(zhǔn)粒子，由一對相互繞轉(zhuǎn)的電子和空穴組成，不過它與馬約拉納粒子不同，后者是一半電子、一半空穴同時存在于同一位置。
光子會在兩片鏡子之間來回反射大約100萬次，然后逃逸出去，在反射過程中，光子會與激子混合，形成極化子。許多光子和激子通過這種方式被禁錮起來，并結(jié)合形成極化子，這些電磁極化子總體上表現(xiàn)得就像液態(tài)光（liquid light）一樣，沒有摩擦，且不散射。研究人員設(shè)計(jì)電磁極化子的流動，來模擬光圍繞黑洞的運(yùn)動。
液態(tài)光不穩(wěn)定，光子最終會逃逸出去。正是這個會泄漏出光子的牢籠讓物理學(xué)家得以研究黑洞是如何隨時間演化的。
2020年諾貝爾物理學(xué)獎得主羅杰·彭羅斯提出理論認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)的黑洞會失去能量，并逐漸減速。巴黎索邦大學(xué)的物理學(xué)家 Maxime Jacquet 則用電磁極化子來驗(yàn)證這個想法是否正確。他表示，天體物理學(xué)無法做到這一點(diǎn)，但用電磁極化子模擬黑洞的實(shí)驗(yàn)可以，這是從實(shí)驗(yàn)到真實(shí)黑洞的一個飛躍。
03
永不衰變的磁振子
如果準(zhǔn)粒子可以衰變，它最終一定會衰變。例如，一種叫做磁振子（Magnon）的準(zhǔn)粒子可以衰變成另外兩個磁振子，只要這些生成粒子的能量不大于原來的磁振子。磁振子是晶格中電子自旋結(jié)構(gòu)集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子，可以看作是量化的自旋波。它們自旋為1，服從玻色子的行為。
動畫展示了電子自旋波在反鐵磁材料中傳播，其中鄰近的原子(球)有相反的自旋。當(dāng)一個合適波長的光子或光粒子(金球)撞擊一個原子并擾亂它的自旋時，這種擾動就像水中的漣漪一樣擴(kuò)散開來。| SLAC National Accelerator Laboratory
參考來源
[1] https://www.quantamagazine.org/like-magic-physicists-conjure-curious-quasiparticles-20210324/
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