五种“并不存在”却能改变世界的粒子

粒子指能以自在状态存在的最小物质组分，包括电子、中子等。现代物理学的奠基石——物理标准模型从实质上说就是一个粒子家族的“家谱”，其成员大家耳熟能详；最后展露“芳容”的希格斯玻色子，更是一面世就遭到各路科学家的追捧。

但还有一类相同重要的粒子却乏人问津。固然，这也是能够懂得的，缘由是这些“准粒子”并不是真实存在，但它们的独特物理性质却足以变革现代科技。英国《新科学家》杂志在日前的报道中，为我们列出了5种“其实不存在”却能转变世界面孔的准粒子。

声子：电动牛仔

2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子，它是其他粒子的质量起源。至此，62种基本粒子已经所有被发现，粒子物理学的标准模型也得以完善。

但假如没有声子（phonon），这一切不也许产生。

声子的概念是在研究晶格振动过程当中发展起来的。同济大学声子学与热能科学中心主任李保文曾解释称，声子其实不是真实的粒子，而是一种准粒子，是量子化的晶格振动。之所以称之为声子，跟“声响”的实质是物体的“振动”有关，实际上，声子的希腊文就是声响的意思。

声子这一位称由前苏联物理学家伊戈尔·塔姆于1932年初次提出。他指出，正如光和电子对应一样，能够把声波与我们称之为“声子”的某些粒子联络起来。在固体中，特别是在半导体和绝缘体中，“热”通过晶格振动来传导，也就是说，“声子”是热的载体。

在常温下，声子是准粒子，固体材料的热传导主要由声子来完成。但在极低温度下，这些准粒子“化身”为一群“牛仔”，驱逐着电子构成的“牛群”。这些电子的行动整洁划一，活动时电阻几乎为零，这就是低温超导的原理。

恰是超导磁铁制作的庞大电磁场，让质子在LHC的大型圆形轨道内曲折前行。而在核磁共振成像（MRI）扫描仪中，这些超导磁铁“变身”为指挥，引导人体组织内的氧原子“跳舞”，释放出能够追踪的无线电信号。另外，在最近旭日东升的热电材料领域，声子也饰演着重要角色。这些热电材料可将热能转化为电能，也有希望完成科学家们一直以来的理想：将汽车引擎废热再利用，为电子产品供电。

磁振子：自旋之王

自从塔姆提出“声子”概念后，科学家们慢慢在固体内部发现了许多这样的准粒子。另外一个此类粒子源于自旋，这一量子属性是磁学的基础。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；当物质内的所有自旋对齐时，就出现了一个磁场。但当这类自旋状态陆续翻转时，就造出了一种波效应，科学家们将这类效应称为“磁振子（magnon）”。

普通电脑和智能手机存储信息需求电力，设备断电信息则无从获得。假如用了磁振子，信息存储将彻底依附磁场，无需电力，这就是所谓的自旋电子学（Spintronics）。这类办法的优势在于，它耗电很少——耗电量过大是晶体管芯片微型化碰到的主要问题之一。假如用电磁波来控制磁振子，那么计算机完万能够摆脱电线和电力的约束。

激子：植物的机密兵器

地球一个小时内从太阳获得的能量，比全人类一年消耗的能量还要多。植物饰演了能量捕手的角色，而激子则是植物实施这一任务的“机密兵器”。

在任何物质中，电子以不一样的能级存在。当一个光子照耀到物体表面时，它会将电子激起到更高能级，留下一个空穴。电子带负电，空穴带正电，它们之间的库仑吸引用处，在必定要求下会让它们在空间上约束在一起，这样构成的复合体被称为激子（excitons）。

植物的叶片中含有捕光卵白，捕光卵白内的电子接收光子取得能量会被激起，分开自己的地位，留下一个空穴，电子—空穴对构成的激子，会在植物的光协用处生产线上四周飘扬。

当激子达到需求它们的特定地位，电子跟空穴重组并释放出能量，植物利用这些能量将水份解为氢和氧气。

这一光协用处是地球生命的本源，人类一直期盼能够在太阳能电池内模仿这一反响。2013年，美国麻省理工学院研究人员找到了直接给激子“拍照”的办法，朝最后目的迈出了关键一步。

另据美国《科学》杂志网络版2009年报道，美国加州大学圣迭戈分校物理教授莱昂尼德·布托夫及其同事已经制作出数个基于激子的晶体管。这些晶体管有希望成为新型电脑的基本模块，它们所装配出的电路也成为世界上第一个应用激子的运算装配。

马约拉纳费米子：量子豪杰

假如你想拥有一台真实的多过程电脑，能够向量子计算机求助。仍处于萌芽阶段的量子计算机利用了奥妙且具有不确定性的量子态，能够对同一问题同时给出多个解。只需外界环境不去打搅量子计算机“施魔法”，它便能够稳固运转。

马约拉纳准粒子能够为量子运算提供“量子比特（qubits）”，使量子计算机更壮大。

普通计算机内的信息存储在“比特（bit）”内，每比特都被编码成0或1；量子计算机内的信息比特可同时以0和1存在，但这类叠加状态特别软弱。为此，物理学家们一直在寻觅使量子比特更稳固的办法。

上世纪30年代，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预言，确定有一种粒子，它和它的反粒子是一样的。“马约拉纳粒子”的概念诞生了，它没有质量，不带电，是自己的反粒子，且老是成双成对出现。马约拉纳粒子因为具有特别的性质，呈电中性，很少与环境互相用处，所以成为一种理想的量子信息编码载体。

因为马约拉纳粒子老是成双成对出现，意味着它们包括的信息都有两个正本，所以从理论上说，马约拉纳量子比特对外界乐音有更强的耐受性。但据荷兰QuTech研究所的阿提拉·盖赖什迪介绍，这些量子比特存在于庞大的电子效应背景下，要想把马约拉纳准粒子的信息提掏出来特别需求技能。

今年6月份，上海交通大学贾金锋科研团队在《物理评论快报》上撰文指出，他们通过一种由拓扑绝缘体材料和超导体材料复合而成的特别人工薄膜，已在试验室里成功捕获到了马约拉纳费米子，这不只有助于量子计算机的研制，还有助于进一步揭开暗物质的谜团。

外尔费米子：双面娇娃

“外尔费米子（Weyl fermions）”就像电子羞怯的“表亲”。1929年德国科学家外尔（H. Weyl）提出：存在一种无“质量”的能够分为左旋和右旋两种不一样“手性”的电子，这类电子被称为“外尔费米子”。

外尔费米子具有两个关键特征：无质量而有手性。没有质量意味着，它能够高速移动，同时它对与其手性不符的搅扰具有极高的抵御力，这就使它很难散射：两束不一样类型的外尔费米子流能够靠得很近却不互相用处。有人提出，这些属性使它能够成为超出自旋电子学运算能力的计算机的基础。

但80多年来，科学家一直没有在试验中观测到外尔费米子，具有外尔费米子特征的半金属材料也是最近才“现身”。去年7月16日，《科学》杂志在线发表了美国普林斯顿大学物理学家扎伊德·哈桑团队的试验成果。该团队宣告，他们在“外尔半金属”中发现了“外尔费米子”；7月20日，中科院物理所官网公布消息称，由该所方忠研究员带领的科研团队，初次成功在TaAs晶体中发现了外尔费米子。所以，“外尔电子学（Weyltronics）”时期已出目前地平线上，但还有很长的路要走。