軸子是暗物質(zhì)候選粒子之一，數(shù)十年來粒子物理學(xué)家不斷搜尋，但至今未見其身影。不過，近年在二維材料中，凝聚態(tài)物理學(xué)家觀測了到“軸子準(zhǔn)粒子”，這為相關(guān)研究帶來新啟示與應(yīng)用可能。

撰文 | 羅會仟（中國科學(xué)院物理研究所）

1978年，諾貝爾獎得主維爾切克（Frank Wilczek）和溫伯格（Steven Weinberg）從理論上提出了一種粒子——軸子（Axion），目的是為了解決量子色動力學(xué)中的強CP問題。多年來，軸子始終作為一種假想粒子而存在。直到最近，它作為一種準(zhǔn)粒子形態(tài)，有可能在二維材料中被觀測到了。

軸子設(shè)想圖

“軸子”到底是一種什么樣的粒子？它為什么如此難以探測？在二維材料中為何又能觀測到“軸子準(zhǔn)粒子”？固體宇宙中的軸子有什么實用價值嗎？

物理學(xué)家最喜歡追問的一個問題是：我們這個世界的本源是什么？這個問題包含兩個方面：一是組成這個世界最基本的物質(zhì)是什么？二是物質(zhì)之間的相互作用有哪些？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，萬物可以分割成一個個的原子，原子又可以分成質(zhì)子、中子和電子，質(zhì)子和中子還可以繼續(xù)分成三個夸克，最終物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙那么大，組成它的“基本粒子”卻是有限的，共計61種。根據(jù)粒子之間的相互作用不同，61種基本粒子劃分為夸克、輕子和傳播子三大類。其中傳播子就是傳遞相互作用的粒子，沒錯！物理學(xué)家們把物質(zhì)之間相互作用也簡化成了“粒子”。比如傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞夸克相互作用的是“膠子”，傳遞弱相互作用的是“規(guī)范玻色子”等。其中有一個比較特殊，就是傳遞引力相互作用的是“引力子”，至今沒有被發(fā)現(xiàn)，如果加上它，基本粒子家族就是62種。那么，這些基本粒子真的就無法再分了嗎？或者說，除了這些成員之外，還有沒有漏網(wǎng)之魚呢？

的確，再完美的模型都會有漏洞。基于標(biāo)準(zhǔn)模型在描述夸克-膠子等強相互作用時，存在一個允許CP破壞的情況，就是電荷和宇稱聯(lián)合操作的對稱性不能保持，這個可能性很小，小于十億分之一，但不為零。這個問題困擾了物理學(xué)家很多年，直到佩切伊（Roberto Peccei）和奎恩（Helen Quinn）提出了一種新的理論模型才得以解決，而維爾切克（Frank Wilcze）和溫伯格（Steven Weinberg）發(fā)現(xiàn)這個理論模型必須引入一種全新的粒子——一個被命名為“軸子”（axion）的家伙。簡單來說，軸子的引入，目的是希望它與其他物質(zhì)之間相互作用很弱，且它的質(zhì)量很小，大約是電子質(zhì)量的十億到千億分之一，這樣才會允許在強相互作用中出現(xiàn)極弱的CP破壞。

正是因為軸子幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，所以它極其難以被探測，也被認(rèn)為是構(gòu)成宇宙中暗物質(zhì)的重要成分。當(dāng)然，很難被探測并不意味著不能被探測，科學(xué)家們就喜歡挑戰(zhàn)這樣的難題，于是，一場狩獵軸子的世紀(jì)之旅就開始了。

軸子雖然相互作用很弱，但是一旦發(fā)生相互作用，就會出現(xiàn)一些奇妙的現(xiàn)象。比如把靜電場和靜磁場都旋轉(zhuǎn)一個角度并互相混合起來，這樣靜磁場就可以產(chǎn)生電荷，而靜電場則出現(xiàn)額外電流并產(chǎn)生磁場。注意，這和動態(tài)電磁場的切換是完全不同的。在強磁場環(huán)境下，軸子也會有一定的概率與光子發(fā)生相互作用，兩者相互轉(zhuǎn)化。所以物理學(xué)家們設(shè)計了一系列非常有趣的實驗去尋找軸子的蹤跡，例如有閃光穿墻實驗、第5種力測量實驗、軸子望日鏡、軸子暈望遠(yuǎn)鏡，等等。科學(xué)家們甚至在深山里挖了一個洞，放入灌滿了液氙的裝置，試圖在盡可能屏蔽其他電磁信號的同時探測到軸子暗物質(zhì)的存在。雖然這些實驗的結(jié)果越來越多，但目前尚未尋找到軸子的任何蹤跡。

然而，凝聚態(tài)物理學(xué)家另辟蹊徑，認(rèn)為在固體宇宙里可以實現(xiàn)“軸子準(zhǔn)粒子”。這個準(zhǔn)粒子，指的是材料內(nèi)部大量原子和電子之間的復(fù)雜相互作用，可以等效用某種假想的“粒子”來描述。比如傳遞原子熱振動（也就是聲波）的準(zhǔn)粒子就是“聲子”，超導(dǎo)材料中的電子對拆散后被激發(fā)的準(zhǔn)粒子就是“波戈留波夫粒子”，類似的還有“外爾費米子”“狄拉克費米子”“馬約拉納費米子”“斯格明子”等，這些都是以物理學(xué)命名的準(zhǔn)粒子。甚至“引力子”也在近些年被宣布在二維電子氣體系中被發(fā)現(xiàn)。

軸子如果作為一種準(zhǔn)粒子的形式存在于固體之中，對應(yīng)的材料應(yīng)叫作“軸子絕緣體”。這類材料內(nèi)部電子受到某種低對稱性的保護(hù)，從而不具有宏觀導(dǎo)電性，但具有較強的拓?fù)浯烹婍憫?yīng)。即施加電場時，會影響材料的磁性。在量子色動力學(xué)中，描述軸子的存在可以用一個θ量來定義CP破壞的強度；而在凝聚態(tài)物質(zhì)中，同樣可以定義一個θ正比于材料的磁電耦合系數(shù)α。在時間反演或空間反演對稱性保護(hù)下，靜態(tài)的θ是量子化的，可用于描述系統(tǒng)的拓?fù)洳蛔兞俊５牵绻麜r間反演和空間反演同時被破壞，θ就會與磁漲落發(fā)生耦合，產(chǎn)生隨時間的相干振蕩，形成一種特殊的“波”，而這種波的準(zhǔn)粒子就滿足軸子的方程，所以被稱為“動態(tài)軸子準(zhǔn)粒子”。在實際材料體系中，時間反演對稱破缺對應(yīng)著鐵磁性的出現(xiàn)，空間反演對稱破缺則對應(yīng)材料原子排布的變化。所以軸子絕緣體本質(zhì)上也屬于一種磁性拓?fù)浣^緣體。

這種材料有沒有呢？早在2019年，中國的理論物理學(xué)家就預(yù)言了軸子絕緣體材料

性，相鄰單層之間則是磁矩相反的反鐵磁性。所以改變奇偶層數(shù)，就可以獲得不同的磁性態(tài)。偶數(shù)層時，單層的鐵磁性打破了時間反演對稱性，同時層間也不滿足空間反演對稱性，所以有希望出現(xiàn)軸子準(zhǔn)粒子。不過要想測量到θ隨時間的周期性變化，非常之難，因為需要同時激發(fā)材料中的磁漲落——對應(yīng)的準(zhǔn)粒子是磁振子，并在外加電場情況下，借助光學(xué)效應(yīng)來觀測θ在極短的時間內(nèi)發(fā)生的變化。這個時間尺度大約幾十皮秒，也就是10的-11次方秒量級。

MnBi2Te4的層狀結(jié)構(gòu)

一直到2025年4月16日，相關(guān)的實驗結(jié)果才在著名學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表。實驗結(jié)果清晰地展示了θ角，也就是材料中磁電耦合系數(shù)，以約44GHz頻率進(jìn)行周期性振蕩，振蕩幅度甚至達(dá)到靜態(tài)值的12%。科學(xué)家們認(rèn)為，這種磁電耦合系數(shù)的振蕩來自于材料內(nèi)部貝里曲率的偶極矩調(diào)制，也就是和材料電子態(tài)的整體拓?fù)鋵傩悦芮邢嚓P(guān)。而且，通過調(diào)節(jié)載流子濃度和外電場強度，這種振蕩是可以被改變的，甚至有可能實現(xiàn)“可編程”的量子器件，用來探測宇宙深處軸子暗物質(zhì)的存在。他們還預(yù)測，在一些同樣具有很強磁電耦合效應(yīng)的多鐵性

粒子。屆時，有可能實現(xiàn)更加豐富的量子輸運行為，如隨時間演變的反常量子霍爾效應(yīng)和以聲子媒介的激光泵浦非平衡室溫超導(dǎo)等。

材料中磁電耦合下的軸子準(zhǔn)粒子

軸子準(zhǔn)粒子與貝里曲率的關(guān)系

可以說，軸子準(zhǔn)粒子的發(fā)現(xiàn)，不僅給粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)帶來了新的啟示，也為凝聚態(tài)物理學(xué)打開了新應(yīng)用的大門。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
出品：中國科協(xié)科普部
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