π子，一种新的准粒子

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原理 [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]3/13
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物理学中有各种不同类型的粒子。基本粒子是指那些不可再分割的粒子，是物质的基本组成部分。其他粒子则是由基本粒子组成的束缚态，比如原子。除此之外，还有一类粒子被称为准粒子。准粒子的行为很像基本粒子，但它们是由其他许多粒子的集体行为产生的。

通常，新的粒子发现于巨大的粒子加速器中，但在更简单的实验室或计算机模拟中，科学家也能发现一些准粒子。近日，科学家在计算机模拟中预测了一种全新的准粒子，它由类半导体材料中的两个电子-空穴对组成，研究人员将它命名为π子（π-ton）。这种新粒子的研究已发表在《物理评论快报》上，文章还描述了如何通过实验检测出π子。

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维也纳工业大学固体物理研究所的Karsten Held教授解释道，“最简单的准粒子就是一个空穴。例如，我们设想一下，许多原子在晶体中按规则排列，每个原子上都有一个移动的电子。当一个特定的原子失去了电子，这就被称为空穴。现在电子从相邻的原子向前移动。原来的空穴填住了，新的空穴打开了。”

                               
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○ 电子与空穴（示意图）。

比起描述不断移动的电子的运动，研究空穴的运动更加容易。如果电子向右，空穴就向左，这种运动遵循一定的物理规律，就像普通粒子的移动一样。然而，与电子不同的是，在晶体外也能观察到电子，但空穴只与其他粒子一起共同存在。在这种情况下，就是我们所说的准粒子。

Held教授也表示：“粒子和准粒子之间的分界线并不像人们想象的那么清晰。严格来说，即使是普通的粒子，也只能在它们所处的环境中才能被理解。即使在真空中，粒子-空穴激发也会不断发生，尽管时间非常短。例如，如果没有它们，电子的质量就会完全不同。从这个意义上说，即使在普通电子的实验中，我们所看到的其实是准粒子电子。”

准粒子包括由电子和光之间的相互作用产生的耦子（polariton），还有激子（exciton）。激子在半导体物理学中具有重要作用，它是一个电子和一个空穴的束缚态，由半导体的价带中的电子被光子激发到导带时产生。在电子的位置，一个带正电的空穴被留在价带中，而电子仍然强烈地吸引着空穴。这种电子-空穴对的行为本身就像一个粒子，也就是激子。

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研究团队最初研究的目标是激子，他们模拟了电子之间具有强相互作用的强相关材料。这种材料的行为由电荷密度波的涨落主导，也就是形成驻波的费米子线性链。

研究人员原本希望研究这些材料中激子形成的特性，他们开发了计算机模拟，来计算固体中的量子物理效应。但是很快，他们意识到，他们在计算中遇到了完全不同的东西，那是一种全新的准粒子。

研究团队给这个先前未知的准粒子取名为π子，这个名字来源于这种准粒子的特性。两个电子和两个空穴被电荷密度涨落或自旋涨落结合在一起，而电荷密度涨落或自旋涨落总是从晶体的一个晶格点到另一个晶格点将它们的性质翻转180度，也就是π。

                               
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○ 一个激子（左）和一个π子（右）背后的物理过程草图（上）和费曼图（下）。黄色的波浪线象征着进入（和离开）的光子，将创造一个电子-空穴对，两者分别由空心和实心的圆圈表示。粒子之间的库仑相互作用用红色的波浪线表示；虚线表示粒子和空穴的再结合；右边两幅图的点线表示第二个粒子-空穴对的创造；黑线表示背后的带结构。| 图片来源：参考来源[3]。

这种从正到负的变化，也许可以想象成棋盘上从黑到白的变化。π子是通过吸收光子自发产生的。当它消失时，光子再次发射。

                               
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○ 光量子创造出的两个电子和两个空穴，通过棋盘一样的背景结合在一起。| 图片来源：维也纳工业大学

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目前，π子已经被发现并通过计算机模拟得到了验证。为了确保这个结果不仅仅是他们模拟的一个特例，团队在多个模型中重新创建了相同的条件，π子每次都会出现，因此，团队认为它一定可以在不同的材料中被检测到。

先前的一些实验数据似乎表明，钛酸钐这种材料可以容纳一些不寻常的准粒子，研究人员也建议将钛酸钐作为π子实验有力的候选材料。他们相信，用光子和中子进行的其他实验很快也可以提供更清晰的答案。

即使我们经常被无数准粒子包围，能发现一种新的准粒子仍然是非常特别的事。除了激子，现在还有了π子。无论如何，这有助于更好地理解光与固体之间发生的量子相互作用。这一研究不仅对基础研究十分重要，从半导体技术到光电技术，它也在许多技术应用中也发挥着重要作用。

参考来源：https://phys.org/news/2020-02-quasi-particle-pi-ton.htmlhttps://physicsworld.com/a/introducing-the-%CF%80-ton-which-could-be-the-newest-known-quasiparticle/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.047401