小晶体藏大风暴

实验室晶体可以用来演示时空曲率如何影响费米子。

资料来源:robert strasser，keescher拼贴画:迈克尔·布克

物理学家报告说，在实验室的一块材料中观察到了一种独特的粒子物理效应，这种效应理论上应该出现在巨大的引力场中(例如，在黑洞附近或大爆炸之后)。

瑞士苏黎世附近的国际商用机器公司研究中心的物理学家约翰尼斯·古斯领导的一个小组说，他们已经观察到了长期预测的轴向重力异常效应的证据。它说一个巨大的引力场——被广义相对论描述为巨大时空扭曲的结果——将打破特殊类型粒子的对称性，这些粒子经常成对出现在镜像中，导致一个粒子产生更多，另一个产生更少。

有必要证明这种打破基本“守恒定律”的不寻常现象所需的条件不能在实验室里建立。然而，研究人员利用重力和温度之间的特殊相似性，在实验室模拟了磷酸铌晶体中的这种异常现象。加州大学伯克利分校的小组成员阿道夫·格鲁欣说:“这种异常现象很难测量，即使是间接证据也是一大突破。”

在水晶内部，这种效果就像是从几副手套中突然增加了几副右手手套，因为一些左手手套已经改变了手性。最近发表在《自然》杂志上的研究结果支持了一种新兴的观点，即量子材料(其性质受量子力学效应支配的晶体)可以用作只有在异常条件下才能看到的物理效应的试验台。

这些受到异常效应影响的粒子是外费米子的费米子，是数学家赫尔曼·奥特在20世纪20年代提出的。这些粒子不同于其他种类的费米子(如电子)，因为它们似乎没有质量，也有一种非手性或手性。

尽管费米子被认为在短时间内参与了其他种类粒子的衰变，但它们从未被视为单一的物理实体。然而，在一些晶体中，它们被发现以“准粒子”的形式存在。在这些材料中，量子力学效应将作为一个整体移动电子，它们的整体行为类似于外费米子:像镜像对一样，手征外费米子通常以相等的数量产生。

2015年，研究人员发现强电磁场可以打破一种叫做狄拉克半金属的量子材料的这种对称性，证明了高能物理中长期预测的反常效应——轴向(或手性)效应。

现在，古斯的团队已经确定重力或时空曲率也会打破这种对称性。为此，他们依赖于重力和温度效应之间的联系，这种联系认为时空曲率对耳廓费米子的影响在数学上等同于温度的梯度效应。换句话说，如果外层费米子所在的材料的一部分比另一部分热，那么异常现象也会发生。

古斯解释说，原因“源于爱因斯坦著名的方程E=mc2”。"在相对论量子场论中，能量和质量流是一样的."他说，“质量流由引力场梯度驱动，而能量流由温度梯度驱动。因此，相对费米子温度梯度模拟了重力场梯度。

研究人员测量了微电子电路中磷化铌晶体“威尔半金属”的电导率。利用温度梯度和电磁场，他们看到了两种不同的外费米子不平衡产生的感应电流——在一个方向上运动的左手粒子的数量不同于在相反方向上运动的右手粒子的数量。此外，格鲁什说，“当我们改变磁场时，电流的行为正好是轴重力异常理论预测的结果。”

但是并不是每个人都同意他们的分析。西雅图华盛顿大学的物理学家Boris Spivak认为，在外层费米子中永远不会存在轴向重力异常。他说温度梯度不能诱导电子在两种不同的手征粒子之间转换。"还有许多其他机制来解释他们的数据."斯皮瓦克说。他认为研究人员只测量熟悉的热电效应中磁场的影响，在这种效应中，电子流是由温度梯度形成的。

但是古斯和他的同事不同意。他们说，由温度引起的手性异常效应的存在有强有力的理论支持。马萨诸塞州哈佛大学固体材料量子效应专家苏比尔·萨赫德夫说，研究人员“有足够的证据证明轴向重力异常的物理结果”。

萨克德夫补充说，这种异常现象的存在是毫无疑问的，“很高兴看到它存在于真实材料中。”他说，这证实了引力会像爱因斯坦在相对论中指出的那样与量子场相互作用。

格鲁申相信，理解这些材料中相似的异常行为将会导致新的物理学。IBM还希望这些发现能用于激光和电子领域，因为它能在铌磷化晶体中产生电流。古斯说，使用这种不寻常的设备可能会提高利用温度梯度发电的材料的能效。(晋南编)