一項新理論提出物體量子特性將逐漸延伸到環(huán)繞物質(zhì)的大氣中。在過去的幾年里，一些特殊材料引起了科學家們的廣泛關(guān)注。這些材料不由任何特殊物質(zhì)構(gòu)成，只是由質(zhì)子、中子和電子等普通物質(zhì)組成；但它不僅僅只是部分簡單相加的總和。它擁有一系列顯著特性和現(xiàn)象，甚至幫助物理學家們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的新階段——除物質(zhì)的固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)之外。最令物理學家興奮的一類材料名為拓撲絕緣體，更廣泛地說是拓撲相變；其理論基礎(chǔ)為其發(fā)現(xiàn)者贏得了2016年的諾貝爾獎。在拓撲絕緣體表面，電子流動比較平穩(wěn)，而在其內(nèi)部，電子則保持靜止不動。
鉆石也許能探測到引起人們關(guān)注物質(zhì)的量子大氣。圖片：Mike Zeng for Quanta Magazine
博科園-科學科普：因此其表面擁有與金屬一樣的導體性質(zhì)，內(nèi)部則是像陶瓷一樣的絕緣體。拓撲絕緣體因其不尋常的物理特性以及在量子計算機和自旋電子器件上的潛在用途而引起了人們關(guān)注。但它的奇異特性并不總是顯而易見。麻省理工學院物理學家、2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克表示：用傳統(tǒng)方法觀察這種材料，你很難判斷出它是否具有這種性質(zhì)。
換句話說，許多看似普通的材料中可能隱藏著一些非同尋常具有潛在用途的特性。在發(fā)發(fā)表的一篇論文中，維爾切克和斯德哥爾摩大學物理學家蔣慶東提出了發(fā)現(xiàn)材料特性的新方法：探測圍繞這種物質(zhì)的薄薄光環(huán)——量子大氣。
物質(zhì)的一些基本量子性質(zhì)能夠在量子大氣中表現(xiàn)出來。如果在實驗中得到證實，這一現(xiàn)象不僅能成為量子力學僅有的幾個宏觀結(jié)果之一，而且可能是探索一系列新材料的有力工具。伊利諾伊大學香檳分校凝聚態(tài)物質(zhì)理論家泰勒·休斯說：如果你問我這種情況是否會發(fā)生，我會說這一想法似乎個合理，不過我認為其影響很小，在新分析中計算出，量子大氣效應將在可探測范圍內(nèi)，不僅如此，探測到這一效應假以時日將會實現(xiàn)。
量子大氣是物質(zhì)周圍一層薄薄的影響區(qū)域。根據(jù)量子力學，真空并不是完全真空；相反充滿了量子漲落。例如如果把兩個不帶電的極板放在真空中，只有波長小于極板間距的量子漲落才能擠在極板之間。然而在板塊之外，所有波長的波動都能適應。如果外部能量大于內(nèi)部能量，板塊將被推到一起。這種現(xiàn)象被稱為卡西米爾效應，類似于量子大氣影響。就像板塊在靠近另一個板塊時感受到更大的力一樣，針狀探測器在接近物質(zhì)時也會受到量子大氣影響。這就像任何一種現(xiàn)象，走近它，就會看到它帶來的影響。
銻在一定程度上能夠充當拓撲絕緣體——這種材料在除表面外的任何地方都能充當絕緣體。圖片：Rob Lavinsky
這種影響性質(zhì)取決于材料本身的量子特性。某些物質(zhì)就像擁有自己的宇宙一樣，有著自己的物理定律。約翰霍普金斯大學凝聚態(tài)物理學家彼得·阿米蒂奇說：現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學非常重要的觀點認為，我們掌握了拓撲絕緣體自身的不同規(guī)則。有些物質(zhì)中含有磁單極子的物體，有北極，但沒有南極。物理學家還發(fā)現(xiàn)了所謂的帶分數(shù)電荷的準粒子，以及具有自我湮滅能力的反物質(zhì)。如果其他物質(zhì)中也存在類似的奇異性質(zhì)，它們就會在量子大氣中顯現(xiàn)出來。從理論上講，只要探測物質(zhì)大氣層，就能發(fā)現(xiàn)其各種各樣的新性質(zhì)。為了證明這樣的想法，把研究重點放在了軸子電動力學的非正統(tǒng)規(guī)則上。
維爾切克在1987年提出了這一理論，用來描述軸子假想粒子如何與電和磁發(fā)生相互作用。物理學家此前曾提出，軸子能為物理學中最大的難題提供解決方案：為什么當粒子與其反粒子交換并在鏡子中反射時，與強作用力的相互作用如此相同，從而保持了所謂的電荷和宇稱對稱。直到今天，沒有人發(fā)現(xiàn)軸子存在的任何證據(jù)，盡管它們最近重新引起了人們對暗物質(zhì)的興趣。雖然這些規(guī)則在宇宙的大部分區(qū)域似乎都不成立，但事實證明，它們可以在拓撲絕緣體等材料中發(fā)揮作用。電磁場與這些被稱為拓撲絕緣體的新型物質(zhì)相互作用方式基本上與一系列軸子相互作用的方式相同。
如果拓撲絕緣體等材料與軸子電動力學相匹配，其量子大氣會對任何穿過大氣層的物體都會產(chǎn)生明顯影響。研究計算得出這種效應類似于磁場；如果在大氣中放置一些原子或分子系統(tǒng)，它們的量子能級就會發(fā)生改變。然后研究人員可以使用標準的實驗室技術(shù)測量這些變化幅度，這是一個非傳統(tǒng)但非常有趣的想法。其中一個潛在系統(tǒng)被稱為氮空位中心鉆石探測器。NV中心是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中的一種缺陷，在這種缺陷中，金剛石中的一些碳原子被替換為氮原子，而與氮相鄰的位置保持空洞。
麻省理工學院物理學家弗蘭克維爾切克 從軸子的工作中找尋靈感來發(fā)展量子大氣理論。圖片：Katherine Taylor for Quanta Magazine
這個系統(tǒng)的量子態(tài)高度敏感，使得NV中心能夠探測到非常微弱的磁場。這種特性使它們成為強大的傳感器，可應用于地質(zhì)和生物學。這是一個很好的原則證明，通過NV中心材料，如拓撲絕緣體，可以確定其性能如何沿表面變化。其研究發(fā)表在《物理評論快報》上，詳細描述了軸子電動力學產(chǎn)生的量子大氣影響。要確定其他類型的性質(zhì)如何影響大氣，需要進行大量不同計算。
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從根本上說，量子大氣所揭示出的性質(zhì)為對稱性。物質(zhì)不同相，以及一個相所特有性質(zhì)，可以從對稱的角度來考慮。例如在固態(tài)晶體中，原子排列在對稱晶格中，晶格可以移動或旋轉(zhuǎn)形成相同的晶體模式。然而溫度升高時，鍵會斷裂，晶格結(jié)構(gòu)就走向崩潰。由此看出固體變成液體這一過程物體失去了對稱性。材料可以打破其他物質(zhì)基本對稱性，如大多數(shù)物理定律都遵循時間反轉(zhuǎn)對稱。在鏡子里看到的景像違反了宇稱對稱。這些對稱性是否在材料中被破壞，可能意味著先前未知相變和潛在奇異性質(zhì)是否存在。
在量子大氣中，具有特定對稱性的物質(zhì)會引發(fā)同樣的相違背行為。在依附于軸子電動力學的材料中，時間和宇稱對稱都被打破。通過探索物質(zhì)大氣層，能夠進一步了解它是否遵循這種對稱性模式，以及它具有哪種奇異特性。一些材料將秘密地打破我們所不知道也不懷疑的對稱性，它們看起來與此事并無關(guān)聯(lián)，但事實上它們一直潛伏著。這一實驗比較容易可行，或許能在幾周或幾個月的時間內(nèi)實現(xiàn)。如果一切順利，那么“量子大氣”這個術(shù)語可能會在物理學詞典中永久存在。維爾切克曾創(chuàng)造過類似軸子、任意子和時間晶體這樣的術(shù)語，曾想出那些令人信服的名字保持著良好記錄，量子大氣又將是一次成功?。?/span>
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