科學家發現了“新”粒子,顛覆量子規則,量子材料將迎來突破
更新于:2025-04-22 04:20:27

一百年來,所有已知的粒子都只有兩種身份:玻色子,費米子。

玻色子可以無數堆在一起,費米子則不能共處一個量子態。鐳射靠的是玻色子,電子殼層靠的是費米子。這是量子力學最根本的分裂。

但現在,有人找到了“第三種粒子”。名字叫:類粒子(paraparticles)

不是玻色子,也不是費米子。

不是純粹的物質粒子,也不是力的媒介,而是一種量子力學允許存在、卻一直沒被找到的隱藏狀態。它們可能活在材料內部,以一種奇特的交換對稱性存在。它們有“隱藏的內部變數”,交換時不是僅加一個正號或負號,而是整個結構都變了。

提出這個理論的,不是某個天馬行空的哲學家,而是德國馬普量子光學研究所的Zihyuan Wang團隊。

事情開始於2021年,他當時還只是Rice大學的一名研究生。一次偶然的數學推導,讓他意識到自己可能撞上了物理學中被遺忘的一角。

當時他拿著這套思路去找導師Kaden Hazzard。對方的第一反應是:“我不確定這事靠不靠譜,但你要真信,就把其他都放下,全力搞這個。”

三年後,他們真的發表了論文。

發表於《Nature》,理論嚴謹,數學封閉,物理圖景明確。更重要的是,它打破了一個原本被認為已經蓋棺定論的東西:DHR定理。

1970年代,Doplicher–Haag–Roberts提出了一系列數學框架,證明在滿足“局域性”和“三維空間”假設的情況下,自然界只可能存在玻色子和費米子

這幾乎是把類粒子從物理合法性上“封殺”了幾十年。

但Wang團隊發現,DHR的假設,遠比人們想的要苛刻。特別是“完全不可區分性”這一點,在某些疊加態下不一定成立。

他們的類粒子模型,放棄了對“測不出差異”的絕對要求——也就是說,兩名觀察者如果共享資訊,是可以判斷類粒子是否被交換過的

這正是突破點。

傳統粒子交換與否不會影響實驗統計結果,但類粒子交換后,會“聯動改變”彼此的隱藏屬性。這些屬性本身測不到,但多個觀察者之間的數據相關性會洩露這一資訊。

這使類粒子落入了一個有趣的位置:

不是像玻色子那樣隨便堆,也不像費米子那樣互斥。

而是——有限可堆疊。

你能堆一點,但堆多了就“擠爆”,必須進入新狀態。具體能堆幾個,取決於模型細節。每一種類粒子,擁擠程度都不一樣。

物理學家已經習慣了兩極世界。如今,中間地帶要插進一腳。

理論預測,這些類粒子最有可能作為“准粒子”出現在某些奇異材料中。也就是說,它們是材料中集體激發態的一種表現形式,而不是自由粒子。類似於聲子、激子、任意子(anyons),這些已經進入實驗室的“第二代粒子”。

Frank Wilczek在1980年代提出的任意子,如今已在量子霍爾材料中被證實存在,甚至被應用於容錯量子計算的架構中。

用Rydberg原子陣列。這是當下最強的量子模擬平臺之一,利用原子外層電子躍遷后的極端放大軌道,實現對電場極高的回應。這類系統已經被用來類比任意子,也可能是實現類粒子的主戰場。

最讓人意外的,是另一路研究者Markus Müller團隊幾乎同時也在研究類粒子。他們從另一條路出發——重新推演DHR的約束,從量子疊加的多個觀察者視角定義“不可區分性”,結果卻反過來“排除了”類粒子存在的可能。

兩邊理論不衝突,反而剛好互補。

從物理圖像來說,類粒子更像一個動態交互網路。交換一次位置,不是打個負號完事,而是像做了一次操作系統升級,影響的不只是參與者本身,還有之後的一系列演化。

這使得某些量子相變模型、糾纏態結構,可能以類粒子的框架更容易被描述。

甚至,有可能誕生出新的量子材料類別。而且是三維的,不像任意子那樣只能活在二維。

這意味著,它們更有機會走入工程應用。比方說,用類粒子設計的材料,可能在某些態密度、自旋耦合、電荷傳輸方面,表現出玻色子或費米子材料不可能有的行為。

過去我們把世界塞進兩個框:你要麼能堆,要麼不能堆。現在,這兩個框之間的縫,開了一條縫。