量子物理又在搞事情了！

根據《Science Advances》雜志的一項研究，萊斯大學的一組研究人員成功觀察到了一種50年前就被預測但始終未能實現的奇異量子現象。這絕非小事，這一發現很可能成為量子計算、通信和傳感技術發展的關鍵轉折點。

什么是"超輻射相變"？

首先，讓我們來認識這個專業術語：超輻射相變（SRPT）。聽起來像是科幻小說中才會出現的概念。

但實際上，這指的是兩組量子粒子突然開始以高度協調的方式集體振動，而且重點是完全沒有外部觸發因素。它們仿佛自發決定組織一場量子"集體舞"，形成全新的物質狀態。

研究團隊如何實現這一突破？

萊斯大學的科研團隊采用了以下方法：

1. 選取一塊由鉺、鐵和氧組成的特殊晶體
2. 將其冷卻到華氏-457度（接近絕對零度，比液氮還要冷幾百度的極端溫度）
3. 置于高達7特斯拉的強磁場中（比地球磁場強10萬倍以上，相當于強大的核磁共振設備產生的磁場）

這些極端條件看似苛刻，但在量子物理研究中，這些往往是探索新現象的必要手段。

巧妙繞過理論限制

該研究的第一作者、萊斯大學應用物理研究生金多仙（Dasom Kim）解釋道："傳統理論認為，SRPT源于量子真空漲落（即使在完全空曠的空間中自然存在的量子光場）與物質漲落之間的相互作用。"

"然而，在我們的研究中，我們通過耦合兩個不同的磁性子系統—晶體內鐵離子和鉺離子的自旋漲落—實現了這種轉變。"

簡單來說，研究團隊找到了一種讓兩種不同磁性粒子群在量子層面上協同工作的方法，這一方法巧妙地規避了過去50年來阻礙科學家觀察這種現象的理論限制。這就像找到了理論難題的"后門"！

什么是自旋？為何這么重要？

自旋基本上描述的是電子或其他粒子的磁極特性。可以想象成每個粒子上都附著一個微小的指南針，不斷旋轉并指向特定方向。

當這些自旋在材料中形成波浪般的集體運動時，物理學家稱之為磁振子。雖然概念抽象，但正是這種現象使整個實驗成為可能。

在這項研究中，鐵離子的磁振子扮演了通常由真空漲落擔任的角色，而鉺離子的自旋則代表物質漲落。

從"理論上不可能"到"實驗已證實"

理論物理學中有一個所謂的"no-go定理"（即"禁止定理"），它斷言這種超輻射相變在光學系統中原則上不可能發生。

但萊斯大學的研究團隊實際上說："理論限制？我們另辟蹊徑！"他們通過在磁晶體而非光學系統中構建這一現象，成功繞過了這一限制。

團隊使用先進的光譜技術，捕捉到了SRPT不容錯認的特征信號：一個自旋模式的能量信號消失，而另一個顯示出明顯的突變或扭曲。這些光譜"指紋"與理論預測的超輻射相完美吻合。

簡而言之，他們成功實現了被認為"不可能"的物理現象，這正是讓物理學界為之振奮的原因。

這一發現的實際意義

你可能會問："這項發現雖然很厲害，但對我們的日常生活和國家科技發展有什么實際意義？"

事實上，這就是最令人興奮的部分。

這項突破可能會深刻改變量子技術的發展軌跡。金多仙解釋說："在這種轉變的量子臨界點附近，系統自然形成量子壓縮態，在這種狀態下量子噪聲大大減少從而極大地提高測量精度。"

用更通俗的話說：這可能讓未來的量子計算機處理速度提升數個數量級，讓量子傳感器精確度大幅提高，讓量子通信更加安全可靠。

例如，未來的計算機比當前超算快千萬倍，醫療掃描儀能夠檢測到目前無法發現的疾病早期跡象，或者完全無法破解的通信系統。這些科技飛躍都可能源于此類基礎科學突破。

對于正在大力發展量子科技的中國來說，這類研究成果提供了寶貴的新方向和理論基礎，有助于在量子計算、量子通信等戰略科技領域取得更大進展。

國際團隊協作成就突破

這項研究不僅是萊斯大學的單獨成就。索海爾·達斯古普塔（Sohail Dasgupta）研究生與凱登·哈扎德（Kaden Hazzard）副教授合作，同時借鑒了橫濱國立大學班巴元晃（Motoaki Bamba）教授的理論，共同為SRPT建立了詳細的理論模型。

達斯古普塔坦誠地表示："當理論預測與實驗數據精確匹配時——這種情況相當罕見——這是科學家能體驗到的最美妙感受之一。"這就像解開了一個困擾科學界半個世紀的謎題。

更廣闊的前景展望

這項成就最具啟發性的部分在于它開啟的無限可能性。該研究的通訊作者、工程學教授河野純一郎（Junichiro Kono）表示："證明完全由兩種內部物質漲落耦合驅動的SRPT形式標志著量子物理學的重大突破，為理解和利用材料內部固有量子相互作用建立了新框架。"

換句話說，這僅僅是開始。此研究中使用的特殊晶體只是具有類似磁性相互作用的更廣泛材料家族中的一員。這為在其他材料中探索類似量子現象鋪平了道路，可能催生更多突破性發現。

結語

量子物理學不只存在于理論和實驗室中。這組研究人員剛剛證明，即使是被理論認為"不可能"的預測，在足夠的創新思維、科研堅持和精確控制的實驗條件下，也能成為現實。

當未來的量子技術廣泛應用于社會各領域，為人類解決能源、環境、醫療等重大挑戰時，這項基礎研究的價值將更加凸顯。

在量子世界里，顯然，"不可能"只是意味著"還沒實現"。

參考來源

Kim, D., Dasgupta, S., Bamba, M., Hazzard, K., & Kono, J. (2025). Observation of the magnonic Dicke superradiant phase transition. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adt1691