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科學家新發現的準粒子:皮頓

時間:2020-02-06 15:11:00 來源:本站 閱讀:4030052次



在物理學中,有非常不同類型的粒子:基本粒子是物質的基本組成部分。其他粒子,如原子,是由幾個較小的組分組成的束縛態。還有所謂的“準粒子”,在一個由許多粒子組成的系統中,激發作用在很多方面就像粒子本身一樣。

這種準粒子現在已經在維也納的TU Wien的計算機模擬中被發現,并被命名為pi-ton。它由兩個電子和兩個空穴組成。新粒子發表在雜志上。物理評論信這篇文章還描述了如何從實驗上檢測到π-噸。

一個洞幾乎是一個粒子

“最簡單的準粒子是一個洞,”TUWien固體物理研究所的Karsten教授解釋道。例如,讓我們想象一下,在一個晶體中,許多原子排列成一個規則的模式,每個原子上都有一個移動的電子。只有在一個特定的原子上,電子是缺失的--這就是一個洞。現在電子可以從鄰近的原子上移動。原來的洞被關閉了,一個新的洞打開了。

與其描述不斷移動的電子的運動,不如更容易研究空穴的運動。如果電子向右移動,空穴向左移動--這個運動遵循一定的物理規律,就像普通粒子的運動一樣。然而,與電子不同,電子在晶體之外也可以觀察到,空穴只與其他粒子一起存在。在這種情況下,我們說的是“準粒子”。

“然而,粒子和準粒子之間的分界線并不像人們想象的那樣清晰,”卡斯滕說。嚴格地說,即使是普通的粒子也只能在它們的環境中被理解。即使在真空中,粒子空穴激發也會不斷發生,盡管時間很短。例如,沒有它們,電子的質量就會完全不同。從這個意義上說,即使在與普通電子的實驗中,我們看到的實際上也是一個準粒子電子。

更復雜的債券

但也有更復雜的準粒子:例如激子,它在半導體物理學中扮演著重要的角色。它是由電子和空穴組成的束縛態,由光產生。電子帶負電,空穴沒有負電荷,因此帶正電荷。兩者相互吸引,并能形成一種紐帶。

“我們實際上想調查這種激子,”論文的第一作者安娜·考赫博士和佩特拉·普萊納博士報告說。“我們開發了計算機模擬來計算固體中的量子物理效應。”但是很快,安娜·考赫,佩特拉·普德萊納和他們的同事凱瑟琳·阿斯特萊斯納意識到,他們在計算中遇到了完全不同的東西--一種全新的準粒子。它由兩個電子和兩個洞組成,它們通過光子耦合到外部世界。

研究小組給這個以前未知的物體取了個名字--π-ton。“安娜·考赫解釋說:“π-ton這個名字來自這樣一個事實:兩個電子和兩個空穴是由電荷密度漲落或自旋漲落聯系在一起的,這些漲落總是將它們的特性從晶體的一個點陣點逆轉到另一個點陣點--即以弧度計算的π角。”佩特拉·普萊納(Petra Pudleiner)說:“這種從正到負的不斷變化,或許可以想象成棋盤上從黑色到白色的變化。”π-噸是通過吸收光子自發產生的。當光子消失時,光子再次被發射出來。

從電腦里出來的粒子

到目前為止,π-ton已經被發現并通過計算機模擬得到驗證.對于研究團隊來說,π-ton的存在是毫無疑問的:“我們現在已經用各種模型研究了π-ton現象--它一次又一次地出現。因此,它肯定可以在各種不同的材料中被檢測到。”Karsten Holding確信。“用鈦酸釤獲得的一些實驗數據似乎已經指向了π-噸。用光子和中子進行的額外實驗很快就會提供清晰的信息。”

盡管我們不斷地被無數的準粒子包圍--新的準粒子物種的發現是非常特別的。除了激子,現在還有π-噸.無論如何,這有助于更好地理解光和固體之間的耦合,這一課題不僅在基礎研究中發揮著重要作用,而且在許多技術應用中--從半導體技術到光電伏學--都發揮著重要作用。

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