實驗證據支持有爭議的理論,極端條件下電子實際上由 2 個粒子組成

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 18 日 18:49 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


物理學上有一項具爭議性的理論,認為電子在極端條件下實際上是由 2 個粒子組成,一個粒子負責為電子提供負電荷,另一個粒子則負責賦予電子自旋。現在,普林斯頓大學團隊的新實驗證據支持了這項理論。

電子是我們相當熟悉、也與現代生活息息相關的一種基本粒子,在所有材料的磁場作用下,電子沿著磁場方向可以是上旋 +1/2 下旋 -1/2;在磁鐵中,當溫度降至臨界溫度以下時,電子所有自旋會均勻地指向整個樣本的一個方向。

然而在凝聚態物理學中,電子自旋無法建立均勻的圖案,

為了用數學方程描述這種行為,1977 年諾貝爾物理學獎得主、普林斯頓物理學家菲利普·安德森(Philip Anderson)首次預測了量子自旋液體(quantum spin liquid)這種物質相的存在,他提出此解釋:在量子狀態下,電子可以被視為由 2 個粒子組成,一個帶有電子的負電荷,另一個帶有電子的自旋,後者被安德森稱為自旋子(spinon)。

在一篇新研究中,普林斯頓大學團隊嘗試在由釕和氯原子組成的自旋液體中尋找這種跡象,當處於溫度僅比絕對零度多幾分之一且高磁場的環境下,氯化釕晶體進入自旋液態相,透過測量其熱導率可以得知是否存在自旋子,如果自旋子存在,則它們在熱導率與磁場的關係圖中應以振盪形式顯現。

團隊的實驗進行了將近 3 年,並且證據分析表明處於量子狀態的電子行為確實就像它們由 2 個粒子組成,在團隊釋出的一張 3D 彩色圖像中,顯示了熱導率 Kxx(垂直軸)如何隨磁場 B(水平軸)和溫度 T(往視覺遠方延伸的軸)變化,與安德森的預測一致。

研究人員表示,科學家尋找這種現象已經 40 年了,如果該發現和對自旋子的解釋得到證實,將大大推動量子自旋液體領域的發展。新論文發表在《自然物理學》期刊。

(首圖來源:普林斯頓大學

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