中外科学家首次发现轴向希格斯模式的量子激发态

近日,中外科学家团队首次发现轴向希格斯模式的量子激发态,或有助于未来在室温条件下对量子系统进行研究和优化。相关成果发表在《自然》(Nature)。

图片来自《自然》(Nature)

前述团队由美国波士顿学院研究人员领导,并由美国能源部国家量子信息科学研究中心QSC提供支持。团队成员有哈佛大学、普林斯顿大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、耶鲁大学、华盛顿大学等科学家,其中还包括中国科学院固体物理研究所副研究员吕红艳。
要理解轴向希格斯模式,首先要了解物理学最基本的理论之一:粒子物理标准模型。如图所示,“圆盘”代表了粒子物理标准模型,每个字母均表示一种基本粒子,即内部没有结构、无法分割的粒子。粒子间相互作用,解释了世界的构成,并形成了一个系统,即标准模型。
“圆盘”最外圈为六种夸克和六种轻子,轻子包括人们所熟知的电子、μ介子、τ介子和它们相对应的中微子;中间一圈为光子、胶子、W玻色子、Z玻色子,均是传递相互作用的粒子;最中心的则是希格斯玻色子(即“上帝粒子”),于2012年在CMS和ATLAS(即欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的实验)两个实验中同时发现。希格斯玻色子赋予了前述其它基本粒子的质量。
常规希格斯模式是由粒子物理标准模型中为基本粒子提供质量的希格斯机制所形成。与常规希格斯模式不同,轴向希格斯模式在室温下就可以进行观测。室温条件这一特性可以帮助科学家在实验中更有效、更经济地操控量子材料,以实现多种应用,包括新一代存储器和光电设备。而以往这些设备通常都需要极低的温度条件。
轴向希格斯模式在稀土三碲化物(RTe3)中表现为低能激发。稀土碲化物是一类以展现电荷密度波(CDW)相互作用而闻名的量子材料。
为了测量轴向希格斯模式,研究人员使用拉曼光谱来观测量子路径干涉。量子路径干涉可用于展示量子力学对物质的控制作用。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析,得到分子振动、转动方面信息,以表征复杂材料的结构、性质的分析方法。他们在多个稀土CDW系统中发现了量子路径干涉,并且这种现象一直持续到室温,对轴向希格斯模式与附近声子的混合或材料中的振动不敏感。

研究人员证实了轴向希格斯模式的存在,这种粒子激发态在图中被描述为一个金色的球体;他们使用拉曼光谱学,将入射电场(蓝色部分)与粒子耦合,随后散射成不同的频率(红色部分),图片来自哈佛大学

“在实验桌上模拟轴向希格斯模式的物理学的实验,为我们理解和使用奇异粒子开辟了新的视野。”哈佛大学Narang实验室博士后Ioannis Petrides说道。
大部分显著的量子活动出现在极低温度下,这需要依赖液氦的稀释制冷机,否则量子材料的物理特性会无法观测到或被噪声掩盖。尽管前述研究小组对CDW样本进行了冷却,但他们发现,即使将材料加热到室温,光谱测量产生的信号或波长仍然保持干净。
研究人员预计,轴向希格斯模式可能也存在于超导体和磁性材料中,这将允许实验人员在不依赖极端条件(例如极低温度环境)或大规模设施下,对量子系统进行研究和优化。
研究人员表示,包含轴向希格斯模式的材料甚至可以用作新的量子传感器,以对其他量子系统进行分类。进一步对其研究可能会帮助理解暗物质现象,而这些现象无法用标准模型解释。
前述工作标志着在量子材料中探索包括轴向希格斯模式的奇异集体模式(exotic collective modes)的重要里程碑。哈佛大学助理教授、美国能源部国家量子信息科学研究中心QSC首席研究员Prineha Narang认为,这一成果是高能物理学与凝聚态物质领域之间的多学科交叉研究迈出的重要一步。
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