窺見物理學(xué)家大腦中的“精靈” 什么是任意子?

光晶格中的原子自旋糾纏態(tài)示意圖

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等人在國際上首次通過量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓撲量子物態(tài)中的準粒子——任意子，并實現(xiàn)了任意子之間的編織交換過程。

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國際上首次通過量子調(diào)控的方法，在超冷原子體系中發(fā)現(xiàn)了拓撲量子物態(tài)中的準粒子——任意子，并證實了任意子的分數(shù)統(tǒng)計特性，向著實現(xiàn)拓撲量子計算邁出了重要一步。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·物理學(xué)》發(fā)表了該成果。

任意子編織的示意圖

究竟什么是任意子?為什么它會在自然界中出現(xiàn)?

自然界存在著奇異粒子

1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現(xiàn)象——分數(shù)量子霍耳效應(yīng)時，逐漸意識到這個效應(yīng)中可能就存在任意子。

愛因斯坦曾說過：“常識只是人們在18歲以前對自然形成的一種偏見。”這話很詼諧，但寓意深刻。新的物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，就會產(chǎn)生一種全新的理論。新理論相對于舊理論而言，一般總是要違背某些所謂的常識，分數(shù)統(tǒng)計及服從分數(shù)統(tǒng)計的任意子理論的誕生及其發(fā)展過程，就是一個典型的例證。

“量子力學(xué)中最美妙、最驚人的成就之一，就是給經(jīng)典力學(xué)中毫無意義的全同粒子不可區(qū)分性原理賦予了全新的含義，真正不可區(qū)分的全同粒子之間具有強烈的相互作用”，中國科技大學(xué)陳宇翱教授告訴科技日報記者，這種相互作用通常是通過量子統(tǒng)計規(guī)則來實現(xiàn)的。一般說來，全同粒子可分為兩類：一類是費米子，具有強烈的排斥作用;另一類是玻色子， 都可以凝聚到能量最低態(tài)。

“多年來，人們一直認為自然界中只存在費米和玻色兩種量子統(tǒng)計。但有人對此提出了疑義，認為可能存在介于玻色子和費米子之間的新的全同粒子，這種粒子一般被稱為‘任意子’，它所遵循的統(tǒng)計規(guī)則叫分數(shù)統(tǒng)計”，陳宇翱說，最早指出這種新的量子統(tǒng)計可能存在的，是兩位挪威物理學(xué)家。在系統(tǒng)地研究了空間拓撲性質(zhì)和全同粒子不可區(qū)分性原理后，意識到在二維空間中可能存在新的量子統(tǒng)計，1982年美國物理學(xué)家F·魏爾茨克提出了任意子的概念。

隨后研究表明，任意子可以存在于某些理論模型之中，當時的任意子僅僅是寄生在少數(shù)幾個理論物理學(xué)家大腦中的精靈，甚至被認為這只是一些數(shù)學(xué)上的奇異現(xiàn)象，誰都沒有料想到，現(xiàn)實世界中居然還真的會發(fā)現(xiàn)這種奇異粒子存在的跡象。1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現(xiàn)象——分數(shù)量子霍耳效應(yīng)時，逐漸意識到這個效應(yīng)中可能就存在任意子。

這在物理學(xué)界引起了廣泛注意，從而為任意子的理論研究注入了生機。在分數(shù)量子霍耳效應(yīng)理論方面作出了杰出貢獻的美國物理學(xué)家R.B。勞克林指出，處在費米和玻色子之間的服從1/2統(tǒng)計的任意子的基態(tài)可能是超導(dǎo)的，他的理論簡單新穎，激發(fā)了人們對任意子理論進行深入細致的研究，成為理論物理研究中的一個熱點。

“當任意子的概念提出時，它似乎違反了量子力學(xué)的基本常識，但通過分析量子力學(xué)中拓撲性質(zhì)后，找到了這種粒子在二維空間存在的可能性。”陳宇翱說。