這個世界上只有兩種粒子,一種叫費米子,一種叫玻色子。
前者像你早高峰擠地鐵:不準重復,不許貼臉,每個人都有自己的位置。電子就是這種貨色,誰也不愿意跟誰合住一個能級。后者則像深夜擼串攤:擠就擠唄,一群光子搶著往同一個狀態里湊,樂呵呵地疊加在一起毫無尷尬。
整個宇宙看起來就靠這兩種粒子維持秩序。原子靠費米子排隊,激光靠玻色子扎堆。干干凈凈,黑白分明。
但真正理解物理的人都知道,越整潔的理論,越像一塊剛剛掃過的地板,藏滿了你沒看到的臟東西。
幾十年來,有一類“假想粒子”被物理學家反復提起,但沒人敢打包票它是真實存在的。這種東西不排隊、不扎堆,交換順序時不翻臉也不無感,而是給你一個“介于黑白之間的灰相位”。不是0,也不是π,而是0.38π,或0.72π……總之不是整數。這類粒子被起了個名——任意子(anyon)
它是個字面意義上的“另類”。不遵守標準粒子的行為邏輯,不屬于標準模型,不存在于三維空間的常規條件下,只在某些極端的低維度量子系統中,像幽靈一樣閃現。
很多人以為它只是數學家YY出來的概念,存在于方程里,不存在于現實中。結果,奧地利因斯布魯克大學的一幫實驗物理學家告訴你:你錯了,我們在實驗室里親手“造”出了它,而且是在最簡單的一維系統里。
這一下,量子物理界沸騰了。
先別急著震驚,我們從頭說起。
首先,這次實驗不是在普通條件下完成的。研究人員把一群冷得快結冰的玻色子排成一條線,維度低到幾乎沒有“左轉右轉”的空間。嚴格意義上講,這是一維系統,連二維都不夠格。你可以想象那是一根“量子繩子”,所有粒子都被勒在這根線上,只能你前我后地排隊,別想插隊,更別想著旁邊走個捷徑。
然后,他們往這根“繩子”里扔進一個異類粒子。這個粒子就像派對里唯一一個不認識大家的陌生人。研究人員觀察它如何與“原住民玻色子”打交道。結果發現,它不但成功混進去了,還讓整個系統發生了類似任意子的統計行為
什么意思?就是這個異類粒子一出現,整個系統的量子統計特性開始從“標準玻色子行為”逐漸轉向某種混合狀態。用實驗人員的話說:
“我們可以連續地調節這個系統的統計相位,從玻色子端平滑過渡到費米子端。不是跳躍,不是硬切,而是像撥旋鈕一樣絲滑?!?br/>
你聽聽這描述,多像DJ在玩轉臺。
這已經不是理論YY,而是真刀真槍在實驗室里調出了任意子行為的漸變曲線。更重要的是,他們能控制這個相位,而不是碰巧觀察到一次隨機波動。
搞定這一步難在哪?難在你必須把玻色子氣體控制到極冷極穩定,同時把異類粒子嵌入進去,還得讀取出它的動量分布和統計行為的微妙變化。這種精密控制難度,堪比在臺風眼中心點燃一支火柴,然后分析火焰的顏色偏移。
這項實驗由奧地利因斯布魯克大學的 Hanns-Christoph N?gerl 團隊負責,理論建模則由法國巴黎薩克雷大學的 Mikhail Zvonarev 和比利時布魯塞爾自由大學的 Nathan Goldman 小組共同完成。
他們用了一個非常簡潔但極致優雅的實驗框架,沒有高維拓撲材料,沒有夸張的實驗裝置,只靠一維玻色氣體+雜質粒子+高分辨率探測器,就把任意子從方程里拉進了現實世界
這意味著什么?
意味著我們不再需要復雜的二維量子霍爾系統才能看到任意子,而是能在實驗室里用“量子樂高積木”搭建出想要的統計行為。更進一步,它打開了一條通向可控拓撲量子計算的新路。
因為早在十幾年前,量子信息界就猜測,如果能操控某種“非阿貝爾任意子”,我們就可以實現不怕噪音、不怕 decoherence(脫一致性) 的拓撲量子計算。簡單講:別的量子計算機像瓷娃娃,動不動崩;但拓撲量子計算用的粒子,不靠脆弱的量子疊加態,而靠粒子交換的“拓撲路徑”編碼信息,抗造得像諾基亞。
現在,雖然他們這次看到的是比較“阿貝爾”的版本,離真正用于計算還有距離,但路徑已經打通了
這一步意義重大,相當于你已經知道怎么在地面上復制出“天上的星座”。雖還不能通航,但已經有了造導航圖的第一塊磚。
這篇研究成果發表于《Nature》,標題是 《Observing anyonization of bosons in a quantum gas》。署名作者包括 Sudipta Dhar、Botao Wang 等人,文章DOI是:10.1038/s41586-025-09016-9。原始新聞稿由奧地利因斯布魯克大學發布,經由 Phys.org 等媒體轉述。
你看,科學沒有死。它只是在最冷最小的角落,孕育出最瘋狂的奇跡。
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