Tuesday, June 2, 2015

dirac Majorana 费米子能不能作为准粒子出现在凝聚态系统中呢?需要指出的是,这里 “Majorana 费米子”的含义并不仅限于指满足Majorana 方程的基本粒子,而是泛指电中性的费米型准粒子,其反粒子就是自身。我们知道电子和原子核都是带电的,凝聚态系统的能量尺度远远不足以产生任何的正电子。但多体系统的行为只能用一句话形容:只有想不到的,没有做不到的。在凝聚态物理中正好就有这样一类系统,电荷不再守恒:超导体

Majorana 则在Dirac 方程问世的几年后提出了这样一个问题:对相对论性费米子,反粒子的存在是必然的吗?显然假如粒子不带电,它的反粒子(假如存在的话)和本身将完全无法区分。Majorana 推导出了相应的方程,并建议他的结果可能描写了当时唯一知道的电中性物质粒子——中微子。
将近80 年过去了,中微子是不是Majorana 费米子仍然悬而未决。部分的困难在于中微子不带电。而物理学家绝大部分的测量手段都和粒子的电磁性质有关,毕竟电磁力是唯一一种人类能够在自身可以直接感知的尺度上进行控制的相互作用。这一点不单粒子物理学,凝聚态物理学也如此。因此对中微子的探测都困难重重,需要布下千军万马,层层拦截,才能在浩渺的宇宙中抓住几个。因此在很长一段时间内,Majorana 费米子只是作为一个优美的理论构造存在于理论家的脑海里。

二 、
在物理学的另一分支——凝聚态物理中,人们关心的是物质材料在极低温时的性质,或者更准确的说,物质的基态和低能激发态的性质。粗看起来凝聚态物理和高能物理完全是两个极端:高能实验的必备装置大型粒子加速器小号的也是数公里长,而凝聚态实验的样品很少有超过一个巴掌大的。加速器的能量动辄几百兆电子伏,凝聚态实验物理学家恨不能把温度直接降到绝对零度去才好。但是深层次上两个领域之间却有着千丝万缕的联系。假如我们暂时抛开人类的渺小视野,想象一下整个宇宙作为一个物理体系,处在什么样的状态,就会意识到在大爆炸140 亿年以后,我们生活的宇宙早已冷却到离“基态”不远了。而人类所能观测到的能量尺度,和大宇宙真正的“典型”能量尺度——Planck 能量相比,几乎都小的可以忽略不计。在这个意义上,凝聚态物理和高能物理殊途同归。它们所研究的对象,都是量子多体系统的“低能”状态,所用的语言也基本上是量子场论。所以自然而然的,凝聚态体系的研究也围绕着“基本粒子”展开——某种材料的激发态在量子化后往往可以近似看做独立运动的“准粒子”。这一概念发源于俄国物理学家Landau 对液氦的研究,如今已经是凝聚态理论的基本概念。
这些准粒子作为宏观体系的集体激发态,常常表现出和微观粒子截然不同的行为。光看微观的组成,所有的材料,周期表上从头数到尾,也就是质子、中子和电子各种各样的组合。质子和中子组成的原子核在大多数时候存在感十分稀薄,只是默默搭好晶格背景供电子活动,有些时候会抖一下形成声子。但是就这样貌似十分单调乏味的系统,却一生二,二生三,三生万物地衍生出花样繁多的准粒子——声子,旋子,极化激元,等离激元,任意子⋯⋯这也是凝聚态物理学最引人入胜之处


Majorana 费米子能不能作为准粒子出现在凝聚态系统中呢?需要指出的是,这里 “Majorana 费米子”的含义并不仅限于指满足Majorana 方程的基本粒子,而是泛指电中性的费米型准粒子,其反粒子就是自身。我们知道电子和原子核都是带电的,凝聚态系统的能量尺度远远不足以产生任何的正电子。但多体系统的行为只能用一句话形容:只有想不到的,没有做不到的。在凝聚态物理中正好就有这样一类系统,电荷不再守恒:超导体

寻找Majorana 费米子的突破出现在2008 年。Pennsylvania 大学的物理学家Charles Kane 和他的博士研究生傅亮另辟蹊径,不再纠结于配对机制——毕竟自然界里最常见的是自旋单态配对,而是在电子的能带结构上作文章。如果电子的能带结构破坏了自旋对称性,是不是也能够产生Majorana 费米子?Kane 和傅亮在这之前已经在拓扑绝缘体方面做了开拓性的工作,他们注意到三维拓扑绝缘体的表面态是强自旋轨道耦合的Dirac 费米子,电子的自旋方向和运动方向“锁”在一起。


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    2013年4月8日 - ... 基金(145RJZA154),2014.7-2016.6. 4. 稀土掺杂对Co基Heusler合金磁性和费米能级的调控,国家自然科学基金(51171076),2012.1-2015.12.
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    由 陈子轩 著作 - ‎相關文章
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