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部分是粒子,部分是液体,一种新发现的“准粒子”被命名为量子液滴,或 dropleton。Dropleton 是半导体内部电子和“空穴”(电子缺失的位置)的集合,它具有研究量子力学的便利特性。
新实体被称为准粒子,因为它不是基本粒子,例如构成原子的夸克和电子。相反,它是一种复合粒子。像其他准粒子一样,dropleton——第一个被发现表现得像液体的准粒子——只能存在于固体材料内部。“它是物质内部的粒子,并且是一个性质由其环境决定的实体,” 德国马尔堡菲利普斯大学的 Mackillo Kira,联合发现者之一说道。准粒子可以在半导体中形成,因为半导体的原子通过其价(外壳)电子的键合组织成晶格。这种排列使得电子和空穴的集合能够有效地作为相干实体在材料中传播。将这些集合体视为准粒子是简化描述固体中许多粒子的复杂量子力学的数学方法。
Kira 说,dropleton 事先没有被预测到,因此它在实验中的产生是一个惊喜。当研究人员用超快激光向砷化镓
半导体。脉冲在材料中产生了激子——空穴对。当激子的密度达到一定阈值时,这些对溶解,电子和空穴以新的形式排列自身。在粒子内部,电子和空穴像限制在小液滴内的液体中的粒子一样相互流动。“这就像典型液体的量子形式,”Kira 说。他和他的同事在 2 月 27 日出版的Nature杂志(《大众科学》是自然出版集团的一部分)上报告了他们的发现。
Kira 回忆说,当研究人员意识到“它必须是一种新粒子,它体积小,它具有液体特性”时,这种意想不到的准粒子被命名。“好吧,我们称它为 dropleton。”
“这是新的物理学,而不仅仅是已建立物理学的一个小细节,” 马里兰州盖瑟斯堡联合量子研究所的 Glenn Solomon 说,他没有参与这项研究。“希望它能引发各种实验。” 特别是,这一发现可能有助于物理学家理解“多体系统”的量子力学,在多体系统中,大量粒子相互作用。“结果表明,多体系统中可能会出现有趣的效果,” 德国多特蒙德工业大学的 Manfred Bayer 说,他也没有隶属于该研究团队。
在实验中,粒子的尺寸各不相同,但至少需要四个电子-空穴对作为成分才能稳定。这一特性将它们归为一类新的准粒子。德国康斯坦茨大学的 Alfred Leitenstorfer 说,这项研究“为这种少(大于四个)但不多(少于 100 个)电子和空穴的相关态的性质带来了定量支持和基本见解”,他没有参与这项研究。
Dropleton 仅持续约 25 皮秒(万亿分之一秒),但这使得它们对于复杂的准粒子来说相对寿命较长。例如,它们足够稳定,可以允许科学家对它们进行实验。由于 dropleton 的尺寸,此类实验可以为探索光和物质的量子相互作用提供有趣的探针。它们宽度约为 200 纳米,比单个激子对大 10 倍以上,并且与一些最小的细菌一样大。用于激发实验中材料的激光波长为 800 纳米,这比准粒子本身大不了多少。“经典光学只能探测到大于其波长的物体,而我们正在接近该极限,”Kira 说。“不仅探测 dropleton 的光谱信息,而且真正看到 dropleton,这将非常棒。”