由局域电子和移动电子组成，在这里被超短光脉冲分解。来源:波恩大学

科学家们在量子世界中观察到一种在宏观世界中不存在的效应。

波恩大学(University of Bonn)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员进行了研究对某些特殊的相变进行了深入研究塔尔。他们的发现提供了对量子物理学更好的理解，并有可能推动量子信息技术领域的发展。

当它们被冷却到某一临界温度以下时，许多物质会改变它们的性质。例如，当水结冰时，就会发生这样的相变。然而，在某些金属中，存在宏观宇宙中不存在的相变。它们的出现是因为量子力学的特殊定律适用于自然界最小的构件领域。人们认为，电子作为量子化电荷的载流子的概念在这些奇异相变附近不再适用。

科学家们现在找到了一种直接证明这一点的方法。他们的发现让我们对量子物理的奇异世界有了新的认识。波恩大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员发表在《自然物理学》杂志上。

理解相变

如果你把水冷却到零度以下(32华氏度)，水就会凝固成冰。在这个过程中，它突然改变了它的性质。以冰为例，它的密度比液态低得多。这就是为什么冰块和冰山会漂浮。在物理学中，这被称为相变。

但也存在相变，即物质的特征逐渐改变。例如，如果一个铁磁铁被加热到760摄氏度(1400华氏度)，它就会失去对其他金属块的吸引力——然后它就不再是铁磁性的，而是顺磁性的。然而，这不是突然发生的，而是连续发生的:铁原子的行为就像微小的磁铁

在低温下，它们的取向彼此平行。当加热时，它们在这个静止位置周围波动越来越大，直到它们完全随机排列，材料完全失去磁性。所以当金属被加热时，它既可以是铁磁性的，也可以是顺磁性的。

Hans Kroha教授和学生。图片来源:bernadette Yehdou/波恩大学

物质粒子不能被摧毁

可以说，相变是逐渐发生的，直到最后，所有的铁都是顺磁性的。在这个过程中，这种转变越来越慢。这种行为是所有连续相变的特征。

“我们称之为‘临界减速’，”波恩大学贝特理论物理中心的汉斯·克罗哈教授解释说。“原因是，随着不断的转变，这两个阶段在能量上越来越接近。”

这类似于把一个球放在斜坡上:然后球滚下山，但高度差越小，滚得越慢。当铁被加热时，两相之间的能量差越来越小，部分原因是磁化在转变过程中逐渐消失。

这种“减速”是基于玻色子激发的相变的典型现象。玻色子是“产生”相互作用的粒子(例如，磁力就是基于这种相互作用)。另一方面，物质不是由玻色子而是由费米子组成的。例如，电子就属于费米子。

相变是基于粒子(或由它们引发的现象)消失的事实。这意味着，随着平行排列的原子越来越少，铁的磁性变得越来越小。“然而，根据自然的基本法则，费米子是不能被摧毁的，因此也不会消失，”克罗哈解释说。“这就是为什么它们通常不会参与相变。”

电子变成准粒子

电子可以被束缚在原子中;然后他们有一个固定的地方，他们不能离开。另一方面，金属中的一些电子可以自由移动，这就是为什么这些金属也可以导电。在某些奇异量子材料中，两种电子都可以形成叠加态。这就产生了所谓的准粒子。从某种意义上说，它们同时是不动的和可动的——这种特征只有在量子世界中才有可能。

与“正常”电子不同，这些准粒子可以在相变过程中被破坏。这意味着连续相变的性质也可以在那里观察到，特别是临界慢化。

到目前为止，这种效应只能在实验中间接观察到。由苏黎世联邦理工学院理论物理学家汉斯·克罗哈和曼弗雷德·菲比格的研究组领导的研究人员现在已经开发出一种新方法，可以直接识别准粒子在相变中的坍缩，特别是相关的临界减速。

“这使我们第一次直接证明，这种减速也可能发生在费米子中，”Kroha说，他也是波恩大学“物质”跨学科研究领域和德国研究基金会“量子计算的物质与光”卓越集群的成员。该结果有助于更好地理解量子世界中的相变。从长远来看，这些发现可能对量子信息技术的应用也很有用。

参考文献:“具有费米子击穿的磁量子相变附近的临界慢化”，作者:Chia-Jung Yang, Kristin Kliemt, Cornelius Krellner, Johann Kroha, Manfred Fiebig和Shovon Pal, 2023年7月31日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02156 - 7

这项研究是由苏黎世联邦理工学院和波恩大学合作进行的。这项工作由瑞士国家科学基金会(SNF)和德国研究基金会(DFG)资助。