对于实验物理学家来说量子挫折导致了基础性发现

包括马萨诸塞大学助理教授Tigran Sedrakyan在内的一组物理学家最近在《自然》 杂志上宣布，他们发现了一种新的物质相。这一被称为“手性玻色液态”的发现为了解物理世界本质的古老努力开辟了一条新途径。

在日常生活中，物质可以是固体、液体或气体。但是，一旦你冒险超越日常生活——进入接近绝对零的温度、比原子还小或能量状态极低的事物——世界看起来就会大不相同。“你会在这些边缘发现物质的量子态，”Sedrakyan 说，“而且它们比我们在日常生活中遇到的三种经典状态要狂野得多。”

Sedrakyan 花了数年时间探索这些狂野的量子态，他对强相互作用量子物质中物理学家所说的“能带简并”、“护城河带”或“动力学挫折”的可能性特别感兴趣。

通常情况下，任何系统中的粒子都会相互碰撞，在这种情况下，它们会产生可预测的效果，例如台球相互碰撞，然后以可预测的模式发生反应。换句话说，效果和粒子是相关的。但在受挫的量子系统中，粒子间的相互作用会产生无限的可能性——也许台球会以不可能的角度漂浮或缩小——其中一些无限的可能性会导致新的量子态。

Sedrakyan 和他的同事所做的是设计一台挫折机器：一种双层半导体器件。顶层富含电子，这些电子可以自由移动。底层充满了“空穴”，或者说是移动电子可以占据的地方。然后这两层非常接近——原子间接近。

如果顶层的电子数量和底层的空穴数量相等，那么你会期望看到粒子以相关的方式起作用，但 Sedrakyan 和他的同事设计了底层，使得粒子之间存在局部不平衡底层电子和空穴的数量。“这就像抢椅子游戏，”Sedrakyan 说，“旨在挫败电子。他们现在必须争先恐后，在他们‘坐’的地方有很多可能性，而不是每个电子都有一把椅子可以坐。”

这种挫折引发了新颖的手性边缘状态，它具有许多令人惊讶的特征。例如，如果将处于手性状态的量子物质冷却到绝对零，电子就会冻结成一种可预测的模式，而处于这种状态的新出现的电荷中性粒子将全部顺时针或逆时针旋转。即使你将另一个粒子粉碎到其中一个电子中，或者你引入了一个磁场，你也无法改变它的自旋——它出奇地坚固，甚至可以用于以容错方式编码数字数据。

更令人惊讶的是，当外部粒子确实撞击处于手性边缘态的其中一个粒子时会发生什么。回到台球的比喻，当母球击中八号球时，你会期望它飞出去。但是，如果台球处于手性玻色液体状态，那么当八号球被击中时，所有 15 个台球都会以完全相同的方式做出反应。这种效应是由于该量子系统中存在的远程纠缠。

很难观察到手性玻色液态，这就是它隐藏了这么久的原因。为此，包括理论物理学家 Rui Wang 和 Baigeng Wang(南京大学)以及实验物理学家 Lingjie Du(南京大学)和 Rui-Rui Du(北京大学)在内的科学家团队设计了一个理论和一个实验使用了一个极强的磁场，能够测量电子在争夺椅子时的运动。

“在半导体双层的边缘，电子和空穴以相同的速度移动，”杜令杰说。“这导致了螺旋状传输，随着电子和空穴通道在更高磁场下逐渐分离，外部磁场可以进一步调制这种传输。” 因此，磁传输实验成功地揭示了手性玻色液体的第一个证据，作者在已发表的论文中也将其称为“激子拓扑序”。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省创新人才创业计划、小米基金会、中科院和国家自然科学基金的支持。

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