圓周率π也有自己的專(zhuān)屬冠名粒子了？奧地利維也納技術(shù)大學(xué)科學(xué)家們用計(jì)算機(jī)模擬出了一種由兩個(gè)電子和兩個(gè)空穴組成的全新準(zhǔn)粒子，并命名為π子。

相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究團(tuán)隊(duì)希望π子能幫助科學(xué)家理解光與固體的耦合，甚至像另一種重要的準(zhǔn)粒子激子那樣，在半導(dǎo)體技術(shù)和光電技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

空穴也是粒子

我們熟悉的原子、質(zhì)子、中子、電子等，都是參與構(gòu)成物質(zhì)世界的真實(shí)粒子。但在研究大量粒子組成的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，一些現(xiàn)象也會(huì)被物理學(xué)家視作“準(zhǔn)粒子”（quasi-particle）。

固體材料（如金屬、非金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體）內(nèi)部的自由電子，在合適的磁場(chǎng)、壓力、溫度等外部條件下，會(huì)產(chǎn)生特定的集體活動(dòng)趨勢(shì)，仿佛是一個(gè)虛擬粒子。

換個(gè)角度來(lái)看的話，電子缺位造成的空穴（hole）也可以是個(gè)準(zhǔn)粒子，而且是最簡(jiǎn)單的準(zhǔn)粒子。

維也納技術(shù)大學(xué)固體物理研究所教授卡斯滕?赫德（Karsten Held）解釋道：“想象一下，比如說(shuō)晶體中的許多原子按規(guī)則排列，每個(gè)原子都包含一個(gè)運(yùn)動(dòng)電子。只有一個(gè)原子缺少這個(gè)運(yùn)動(dòng)電子，這就造成了一個(gè)空穴?！?

在這種情況下，旁邊原子的電子可以移動(dòng)過(guò)來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴，身后同時(shí)留下了一個(gè)新的空穴。如果電子像這樣不斷地往右運(yùn)動(dòng)，那反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)這個(gè)空穴在往左運(yùn)動(dòng)。空穴的運(yùn)動(dòng)遵守特定的物理定律，就像一個(gè)普通的粒子。

顯然，電子可以在晶體之外觀測(cè)，空穴卻只能與其他粒子結(jié)合存在。因此，它是個(gè)準(zhǔn)粒子，而非真實(shí)粒子。

不過(guò)，粒子和準(zhǔn)粒子的界限也并非一直如此清晰。赫德表示，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家研究普通粒子都結(jié)合了對(duì)其所處環(huán)境的理解。即使在真空中，粒子-空穴激發(fā)也會(huì)持續(xù)發(fā)生，沒(méi)有這種現(xiàn)象，我們對(duì)電子質(zhì)量的認(rèn)知也會(huì)完全不同。

計(jì)算機(jī)上出現(xiàn)的新粒子

有一種準(zhǔn)粒子對(duì)于半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)很重要，就是激子（exciton）。如果一個(gè)電子從滿的價(jià)帶激發(fā)到空的導(dǎo)帶上去，則在價(jià)帶內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)空穴，而在導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電子，從而形成一個(gè)電子-空穴對(duì)?？昭◣д姡娮訋ж?fù)電，它們互相吸引，一定的條件下會(huì)在空間上束縛在一起，合體成一個(gè)準(zhǔn)粒子。

為了研究這類(lèi)激子，維也納技術(shù)大學(xué)的這個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一套方法，用計(jì)算機(jī)模擬的方式來(lái)計(jì)算固體中的量子物理效應(yīng)，結(jié)果，他們?cè)谟?jì)算中發(fā)現(xiàn)了一種全新的準(zhǔn)粒子。它由兩個(gè)電子和兩個(gè)空穴組成，在吸收一個(gè)光子后自發(fā)產(chǎn)生，消失時(shí)則會(huì)釋放一個(gè)光子。

這兩個(gè)電子和兩個(gè)空穴的電荷密度或自旋會(huì)發(fā)生規(guī)律的漲落，從一個(gè)晶格點(diǎn)到下一個(gè)晶格點(diǎn)，相關(guān)特性會(huì)反轉(zhuǎn)180度，按弧度來(lái)算就是π，宛如一張黑白交錯(cuò)的棋盤(pán)。因此，研究人員將準(zhǔn)粒子命名為“π子”。

插圖：兩個(gè)電子和兩個(gè)空穴構(gòu)成π子，變化方式宛如一張黑白交錯(cuò)的棋盤(pán)

雖然目前只是計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，但赫德相信π子會(huì)在一系列材料中檢測(cè)到出來(lái)：“用鈦酸釤材料做出的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已隱隱指向了π子。后續(xù)一些中子和光子實(shí)驗(yàn)很快就會(huì)讓大家看得更清楚?！?/p>