【導語】早在1978年，諾貝爾獎得主維爾切克和溫伯格提出了軸子這一假想粒子，旨在解決量子色動力學中的強CP問題。多年來，軸子因其極弱的相互作用而難以探測，但最近，科學家們在二維材料中發現了軸子準粒子的存在，為軸子的研究開辟了新途徑。本文將探討軸子的基本特性、探測難度、以及在固體宇宙中的軸子準粒子現象和潛在應用價值。

早在1978年，諾貝爾獎得主維爾切克（Frank Wilcze）和溫伯格（Steven Weinberg）從理論上提出了一種粒子——軸子（Axion），目的是為了解決量子色動力學中的強CP問題。多年來，軸子始終作為一種假想粒子而存在。直到最近，它作為一種準粒子形態，有可能在二維材料中被觀測到了。

到底“軸子”是一種什麽樣的粒子？它為什麽如此難以探測？在二維材料中為何又能觀測到“軸子準粒子”？固體宇宙中的軸子有什麽實用價值嗎？糖心免费视频來聊聊如何在固體宇宙中狩獵軸子。

物理學家最喜歡追問的一個問題是：糖心免费视频這個世界的本源是什麽？這個問題包含兩個方麵：一是組成這個世界最基本的物質是什麽？二是物質之間的相互作用有哪些？比如，萬物可以分割成一個個的原子，原子可以分成質子、中子和電子，質子和中子還可以繼續分成三個誇克，最終物理學家們發現，宇宙那麽大，組成它的“基本粒子”卻是有限的，共計61種。根據粒子之間的相互作用不同，61種基本粒子劃分為誇克、輕子和傳播子三大類。其中傳播子就是傳遞相互作用的粒子，沒錯！物理學家們把(bǎ)物(wù)質(zhì)之(zhī)間(jiān)相互作用也簡化成了“粒子”。比如傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞誇克相互作用的是“膠子”，傳遞弱相互作用的是“規範玻色子”等。其中有一個比較特殊，就是傳遞引力相互作用的是“引力子”，至今沒有被發現，如果加上它，基本粒子家族就是62種。那麽，這些基本粒子真的就無法再分了嗎？或者說，除了這些成員之外，還有沒有漏網之魚呢？

基本粒子的標準模型

的確，再完美的模型都會有漏洞。基於標準模型在描述誇克-膠子等強相互作用時，存在一個允許CP破壞的情況，就是電荷和宇稱聯合操作的對稱性不能保持，這個可能性很小，小於十億分之一，但不為零。這個問題困擾了物理學家很多年，直到佩切伊（Roberto Peccei）和奎恩（Helen Quinn）提出了一種新的理論模型才得以解決，而維爾切克（Frank Wilcze）和溫伯格（Steven Weinberg）發(fā)現(xiàn)這(zhè)個(gè)理(lǐ)論(lùn)模型必須引入一種全新的粒子——一個被命名為“軸子”（axion）的家夥。簡單來說，軸子的引入，目的是希望它與其他物質之間相互作用很弱且質量很小，大約是電子質量的十億到千(qiān)億(yì)分(fēn)之(zhī)一(yī)，這(zhè)樣(yàng)才(cái)會(huì)允(yǔn)許(xǔ)在(zài)強(qiáng)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)中(zhōng)出(chū)現(xiàn)極(jí)弱(ruò)的(de)CP破(pò)壞(huài)。

正(zhèng)是(shì)因(yīn)為(wèi)軸(zhóu)子(zi)幾(jǐ)乎(hu)不(bù)與(yǔ)其(qí)他(tā)粒(lì)子(zi)發(fā)生(shēng)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，所(suǒ)以(yǐ)它(tā)極(jí)其(qí)難(nán)以(yǐ)被(bèi)探測，也被認為是構成宇宙中暗物質的重要成分。當然很難被探測並不意味著不能被探測，科學家們就喜歡挑戰這樣的難題，於是，一場狩獵軸子的世紀之旅就開始了。軸子雖然相互作用很弱，但是一旦發生相互作用，就會出現一些奇妙的現象。比如把靜電場和靜磁場都旋轉一個角度並互相混合起來，這樣靜磁場就可以產生電荷，而靜電場則出現額外電流並產生磁場，注意這和動態電磁場的切換是完全不同的。在強磁場環境下，軸子也會有一定的概率與光子發生相互作用，兩者相互轉化。所以物理學家們設計了一係列非常有趣的實驗去尋找軸子的蹤跡，比如有閃光穿牆實驗、第5種力測量實驗、軸子望日鏡、軸子暈望遠鏡等等。科學家們甚至在深山裏挖了一(yī)個洞，裏麵灌滿了液氙，試圖在盡可能屏蔽其他電磁信號的同時探測到軸子暗物質的存在。雖然這些實驗的結果越來越多，但目前尚未尋找到軸子的任何蹤跡。

然而，凝聚態物理學家另辟蹊徑，認為在固體宇宙裏可以實現“軸子準粒子”。這個準粒子，指的是材料內部大量原子和電子之間的複雜相互作用，可以等效用某種假想的“粒子”來描述。比如傳遞原子熱振動（也就是聲波）的準粒子就是“聲子”，超導材料中的電子對拆散後被激發的準粒子就是“波戈留波夫粒子”，類似的還有“外爾費米子”、“狄拉克費米子”、“馬約拉納費米子”、“斯格明子”等，這些都是以物理學命名的準粒子。甚至“引力子”也在近些年被宣布在二維電子氣體(tǐ)係(xì)中(zhōng)被(bèi)發(fā)現(xiàn)。

材(cái)料(liào)中(zhōng)磁(cí)電(diàn)耦(ǒu)合(hé)下(xià)的(de)軸(zhóu)子(zi)準(zhǔn)粒子

軸子如果作為一種準粒子的形式存在於固體之中，對應的材料叫做“軸子絕緣體”。這類材料內部電子受到某種低對稱性的保護，從而不具有宏觀導電性，但具有較強的拓撲磁電響應。即施加電場時，會影響材料的磁性。在量子色動力學中，描述軸子的存在可以用一個θ量來定義CP破壞的強度；而在凝聚態物質中，同樣可以定義一個θ正比於材料的磁電耦合係數α。在時間反演或空間反演對稱性保護下，靜態的θ是量子化的，可用於描述係統的拓撲不變量。但是，如果時間反演和空間反演同時被破壞，θ就會與磁漲落發生耦合，產生隨時間的相幹振蕩，形成一種特殊的“波”，而這種波的準粒子就滿足軸子的方程，所以被稱為“動態軸子準粒子”。在實際材料體係中，時間反演對稱破缺對應著鐵磁性的出現，空間反演對稱破缺則對應材料原子排布的變化。所以軸子絕緣體本質上也屬於一種磁性拓撲絕緣體。

這種材料有沒有呢？早在2019年，中國的理論物理學家就預言了軸子絕緣體材料MnBi2Te4。它是一種具有層狀結構的準二維材料，每個單層裏含7層原子且呈現鐵磁性，相鄰單層之間則是磁矩相反的反鐵磁性。所以改變奇偶層數，就可以獲得不同的磁性態。其中偶數層時，單層的鐵磁性打破了時間反演對稱性，同時層間也不滿足空間反演對稱性，所以有希望出現軸子準粒子。不過要想測量到θ隨時間的周期性變化，卻非常之難，因為需要同時激發材料中的磁漲落——對應的準粒子是磁振子，並在外加電場情況下，借助光學效應來觀測θ在極短的時間內發生的變化，這個時間尺度大約幾十皮秒，也就是10的-11次方秒量級。

一直到2025年4月16日，相關的實驗結果才在著名學術期刊Nature上發表。實驗結果清晰地展示了θ角，也就是材料中磁電耦合係數，以約44 GHz頻率(lǜ)進(jìn)行周期性振蕩，振蕩幅度甚至達到靜態值的12%。科學家們認為，這種磁電耦合係數的振蕩來自於材料內部貝裏曲率的偶極矩調製，也就是和材料電子態的整體拓撲屬性密切相關。而且，通過調節載流子濃度和外電場強度，這種振蕩是可以被改變的，甚至有可能實現“可編程”的量子器件，用來探測宇宙深處軸子暗物質的存在。他們還預測，在一些同樣具有很強磁電耦合效應的多鐵性材料如Cr2O3和CrI3，以及磁性外爾半金屬Co3Sn2S2和Mn3Sn等，也可以存在軸子準粒子。屆時，有可能實現更加豐富的量子輸(shū)運(yùn)行(xíng)為(wèi)，如(rú)隨(suí)時(shí)間(jiān)演(yǎn)變(biàn)的(de)反(fǎn)常(cháng)量(liàng)子(zi)霍(huò)爾(ěr)效(xiào)應(yīng)和(hé)以(yǐ)聲(shēng)子(zi)媒(méi)介(jiè)的(de)激(jī)光(guāng)泵(bèng)浦(pǔ)非(fēi)平(píng)衡(héng)室(shì)溫(wēn)超(chāo)導(dǎo)等(děng)。

可(kě)以(yǐ)說(shuō)，軸(zhóu)子(zi)準(zhǔn)粒(lì)子(zi)的(de)發(fā)現(xiàn)，不(bù)僅(jǐn)給(gěi)粒(lì)子(zi)物(wù)理(lǐ)學(xué)和(hé)宇(yǔ)宙(zhòu)學(xué)帶(dài)來(lái)了(le)新(xīn)的(de)啟(qǐ)示(shì)，也(yě)為(wèi)凝(níng)聚(jù)態(tài)物(wù)理(lǐ)學(xué)打(dǎ)開(kāi)了(le)新(xīn)應(yīng)用(yòng)的(de)大(dà)門(mén)。

本(běn)文為(wèi)·創(chuàng)作(zuò)培(péi)育(yù)計(jì)劃(huà)扶(fú)持(chí)作(zuò)品(pǐn)

作(zuò)者(zhě)：羅(luō)會(huì)仟(qiān)

審(shěn)核(hé)：姬(jī)揚(yáng) 浙(zhè)江(jiāng)大(dà)學(xué)物理學院教授

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