物理學中的「粒子團隊」,電腦模擬發現新的準粒子

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 05 日 19:53 | 分類 材料 , 材料、設備 , 自然科學 follow us in feedly


基本粒子是組成物質最基本的單位,然而在凝態物理學中,粒子的定位又變得很模糊,比如被稱為「準粒子」的系統──由多個粒子組成、但表現行為像單一粒子。最近科學家利用電腦模擬發現新的準粒子,命名 Pi-ton,研究人員認為可以在光子或中子實驗中驗證 Pi-ton 的存在。

準粒子(quasi particle)又稱集體激發(collective excitations),在物理學中是一種微觀的湧現現象,由許多粒子交互作用組成一個大系統,但行為表現有點像粒子。

維也納工業大學固態物理學研究所教授 Karsten Held 解釋,最簡單的準粒子像個洞,想像一下許多原子規則的排列在晶體中,每個原子上都有一個電子,當電子移動到相鄰的原子上就會在原本位置留下電洞(Electron hole),但與在晶體外部也能觀察到的電子不同,電洞僅存在於和其他粒子同時發生之際,在這種情況下,可以說是最簡單的「準粒子」系統。

也有更複雜的準粒子,比如激子,它是由電子和電洞組成的束縛態,電子帶負電,電洞帶正電,兩者相互吸引形成鍵結。而維也納工業大學團隊想研究的準粒子便是激子,他們開發了電腦模擬來計算固體中的量子物理效應,然而意外的是,模擬過程卻出現了一種全新準粒子,由 2 個電子和 2 個電洞組成,研究團隊為它起名「pi-ton」。

該團隊已經利用各種模型驗證了 pi-ton 準粒子反覆出現,也就是說,我們有很大機會在各種材料中檢測到 pi-ton 準粒子的存在,Karsten Held 指出,一些實驗數據似乎已在鈦酸釤(samarium titanate)中檢測到 pi-ton,如果之後進行光子或中子實驗,應該更容易發現這種新的準粒子。

pi-ton 準粒子有助於科學家更理解光與固體之間的耦合,並且在從半導體和光伏技術中都將發揮重要作用。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊。

(首圖來源:維也納工業大學