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在这种材料中,这一知名常数变大了

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原理 2021-09-24 20:42
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精细结构常数(α),是物理学中一个神秘而重要的基本常数,费曼曾称它是一个“魔数”;狄拉克曾说它的起源是“物理学中最基本的未解之谜”,在量子电动力学(QED)中,它定义了电磁相互作用的强度。

精细结构常数是个无量纲常数,大约等于1/137。这个数值对于我们宇宙中的万物来说都至关重要,如果它再大一点,则会导致电磁力更强,原子更小等一系列现象;如果它再小一点,原子就会变得更大。很难想象,如果精细结构常数的值与之不同,宇宙将会变成什么样子。但可以肯定的是——人类不会出现。

然而,在一种奇怪的量子材料中,这个支配了宇宙的关键常数变得比原有数值更大了。在发表于9月10日的《物理评论快报》上的一篇论文中,一组物理学家报告称,通过计算,他们发现在一种被称为量子自旋冰的材料中,精细结构常数大约是其正常值的10倍。

自旋冰是一类具有四面体晶格结构的材料,它们是由具有自旋的粒子组成的,这使得它们具有磁性。但是,它们的磁自旋呈现出一种复杂的模式。

对于普通材料来说,当温度达到某一特定的值时,粒子的磁极要么朝同一方向排列,要么呈现出在交替的方向排列。但在量子自旋冰中,粒子的排列方式使得它们的磁自旋即使在绝对零度下也无法一致。

之所以出现这种情况,与它们有着像金字塔一样的晶格结构有关:粒子位于一系列“金字塔阵列”的角上,每个“金字塔”的角与角相连,这些粒子能够做到的最接近和谐的排列方式是,使两个自旋朝外,两个自旋朝内。将粒子的自旋翻转,就能得到所谓的自旋子,这种准粒子可以在材料中移动,并与其他自旋子相互作用,其作用方式类似于存在于普通材料中的电子与其他带电粒子间的相互作用。

在量子自旋冰中,粒子(黑点)位于金字塔阵列(红)的角上。通常情况下,粒子的自旋(绿色箭头)如图中排列的那样,两个指向金字塔内,两个指向金字塔外。如果这一规则被打破,就会形成被称为自旋子(橙色和蓝色)的准粒子。| 图片来源:S.D. PACE ET AL/PRL 2021

目前,实验物理学家只发现了量子自旋冰行为的一些迹象,理论家们仍在为识别这种材料寻找新的特征。不过,虽然科学家还没有发现一种能够完全称得上是量子自旋冰的物质,但一种被称为烧绿石的矿物被认为是非常具有前景的自旋冰候选物质。这种矿物的具有磁性离子或带电原子会排列成金字塔构型。

在新研究中,为了了解自旋冰粒子如何相互作用,研究人员模拟了自旋冰电荷穿过自旋冰的效果。他们根据自旋冰中的剩余电场能量计算出了单电子电荷的强度。通过将估算出的电荷强度值与之前计算的自旋冰光子速度相结合,研究人员发现,烧绿石氧化物的精细结构常数应为1/10,而不是1/137。如果整个宇宙的精细结构常数如它在量子自旋冰中的数值一样大,那么元素周期表中将只有10个元素。

这是研究人员首次着手计算量子自旋冰中的精细结构常数。新的计算结果将精细结构常数提高了约10倍,这表明量子自旋冰可以为探索通常被抑制的QED过程提供一个实验场所。比如据研究人员预测,如此强的QED相互作用,或许能让发生在量子自旋冰跃迁温度下的中子散射的可观测增强。

此外,他们发现通过调整这种理论材料的性质,可以改变精细结构常数的值。这有助于科学家研究改变精细结构常数会产生的影响——这是一种遥不可及的测试,因为在我们的宇宙中,精细结构常数是恒定的。

虽然目前科学家还没有真正地观察到量子自旋冰的存在,但他们或许可以使用量子计算机一类的量子设备来模拟量子自旋冰,进而对这些材料进行研究。如果能够成功地创造出量子自旋冰,那么这些材料将揭示QED和标准模型如何在一个更大的精细结构常数的宇宙中工作。

#创作团队:

编译:小雨

#参考来源:

https://www.sciencenews.org/article/physics-quantum-spin-ice-fine-structure-constant

https://physics.aps.org/articles/v14/s115

#图片来源

封面来源:motionstock / Pixabay

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