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经过几十年的自然界最小探索,物理学家终于找到了“任意子(anyons)”存在的证据。这些类粒子的物体最初是由理论家在1980年代初期预测的,仅在二维范围内出现,然后仅在某些情况下出现——例如在接近绝对零的温度和强磁场的存在下。
物理学家对任意子(anyons)很感到兴奋,这不仅是因为他们的发现证实了数十年的理论工作,而且是出于实际原因。例如:任意子(anyons)是微软(Microsoft)努力构建可运行的量子计算机的核心。
今年带来了两个准粒子的确凿确认。第一次是在4月,在巴黎高等师范学院的一组研究人员发表在《科学》封面上的一篇论文中。使用四年前提出的方法,物理学家通过微小的粒子对撞机发出了电子气,以找出奇怪的行为,尤其是分数电荷,这种行为只有在周围存在任意子(anyons)时才会出现。第二个确认是在七月,当时印第安纳州普渡大学的一个研究小组在蚀刻芯片上使用了实验装置,以筛选出可能掩盖任意子行为的相互作用。
麻省理工学院的物理学家弗兰克·威尔泽克(Frank Wilczek)曾在1980年代初预测并命名为任意子(anyons),他将第一篇论文归功于这一发现,但表示第二篇论文使准粒子更为闪耀。他说:“这是伟大的工作,使得该领域取得丰硕成果。”任意子(anyons)都不像普通的基本粒子;科学家将永远无法将一个人与形成它的系统隔离开来。它们是准粒子,这意味着它们具有可测量的特性,例如粒子(例如位置,甚至是质量),但只能通过其他常规粒子的集体行为来观察。(想想自然界中群体行为所形成的复杂的几何形状,例如成群飞行的鸟群或成群的鱼游动。)
已知的宇宙仅包含两种基本粒子。一个是费米子家族,其中包括电子以及质子、中子和形成它们的夸克。费米子自成一体:没有两个粒子能同时处于相同的量子状态。如果这些粒子不具有此属性,那么所有物质都可能会崩溃到单个点。因为费米子存在于固体物质。
宇宙中其余的粒子是玻色子,其中包括诸如光子(光和辐射的使者)和胶子(“胶合”在一起)的粒子。与费米子不同,两个或多个玻色子可以同时处于相同状态。
它们往往会聚在一起。正是由于这种聚集,我们才有了激光器,这些激光器都是光子流,它们都占据相同的量子态。
任意子(anyons)都不适合任何一组。任何使物理学家特别兴奋的是,它们表现出类似于粒子记忆的东西。如果一个费米子绕着另一个费米子运转,它的量子态将保持不变,玻色子也是一样。
任意子(anyons)与众不同。如果一个任意子绕着另一个移动,它们的集体量子态就会移动。在任意子返回其原始状态之前,可能需要旋转三,甚至五或更多圈。波动的这种轻微变化就像是对旅行的记忆。此属性使它们成为量子计算机的吸引人的对象,量子计算机依赖于众所周知的易碎且容易出错的量子状态。任意子提供了一种更可靠的数据存储方式。
威尔泽克指出,任意子代表着一个完整的“王国”,其中包含许多具有外来行为的品种,可以在未来进行探索和利用。大约40年前,他在研究生院开始思考它们,当时他对证明只有两种粒子存在的证据感到沮丧。
他设想了其他的东西,当被问及它们的其他特性或在哪里找到这些奇怪的东西时,他开玩笑地说,“随便什么都行” ——这就是这个名字由来。
他说,现在,新研究仅仅是个开始。展望未来,他认为任意子是寻找异物状态的工具,目前,这些异物状态仍然是物理学家理论中的疯狂的想法。
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