不属于基本粒子的准粒子

准粒子不同于所谓的基本粒子，而是类似于基本粒子的物理实体，是由大量基本粒子相互作用产生的但是粒子和准粒子的界限正在变得模糊，那些所谓的基本粒子也可能已经进化了，或者有更大的框架来统一它们

费米实验室视觉媒体服务。

当谈到创造新粒子时，粒子物理学家可能会想到在越来越强大的对撞机中轰击现有粒子，希望从中碰撞出未知粒子凝聚态物理学家可能考虑的是将材料置于不同的环境中，比如极端低温或者平坦的二维平面，制造出具有新颖性质的准粒子

根据粒子物理学的标准模型，17种基本粒子构成了我们世界的所有物质那么什么是准粒子呢准粒子也是粒子的一种，但准粒子不是基本粒子，而是由大量基本粒子的复杂相互作用产生的，作用类似粒子

物理学家可以将一个由大量粒子组成的固体，液体或等离子体置于极端的温度和压力下，然后将整个系统描述为一些类似粒子的实体，即准粒子准粒子可以相当稳定，和基本粒子一样，具有质量，电荷等固有属性

准粒子不是基本粒子，而是由大量基本粒子的复杂相互作用产生的。

固体中常见的准粒子是声子在晶体中，原子有规则地排列形成三维晶格结构它们像弹簧一样相互连接，会集体振荡，在物质中携带热量和声音声子就是对应这种振荡模式的准粒子在固体材料中，电子决定了材料的导电性，而声子决定了声音在材料中的传播速度就像光子是量子化的电磁波一样，我们可以把声子看作量子化的声波

声子是最常见的准粒子。

比如朗道在1933年提出了一种叫做极化子的准粒子电子在固体材料中运动时，会吸引周围的正电荷，排斥负电荷，使原子偏离原来的平衡位置，从而有效屏蔽电子，使电子的行为更像一个有效质量更大的准粒子，即极化子

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在凝聚态物理中，还有其他更奇特的准粒子比如所有的基本粒子，根据自旋特性可以分为两种:一种是自旋为半整数的费米子，比如电子，另一种是自旋为整数的玻色子，比如光子但是，有一种准粒子，叫做任意子，可以超越这个界限它们不同于费米子和玻色子说，我们现在考虑的准粒子具有我们以前从未真正梦想过的性质

以下是一些最有趣也可能最有用的准粒子。

01.看不见的majorana粒子

最早发现的准粒子之一是空穴，即应该有电子的地方没有电子在20世纪40年代，物理学家发现固体中的空穴会像带正电的粒子一样四处跳跃一种更奇特，可能非常有用的准粒子是马约拉纳费米子，理论上，马约拉纳粒子的反粒子就是它本身但从粒子物理的角度来看，这种粒子至今没有被发现，而在凝聚态物理中，它同时是半个电子和半个空穴，可以作为准粒子

迄今为止，构建有效量子计算机的努力一直步履维艰，因为当温度过高或与其他粒子发生碰撞时，大多数粒子的量子叠加态都会分崩离析但是majorana准粒子没有这个问题

它们不同寻常的性质赋予了它们零能量和零电荷的特性，因此理论上允许它们存在于特定类型的超导体中那里不可能有其他粒子，这就产生了一个空隙，使得majorana粒子不可能衰变也就是说，这个超导间隙保护了majorana粒子

自2010年以来，实验人员一直在竞争使用超导体，纳米线和磁场的复杂组合来构建真正的majorana粒子2018年，一组研究人员在《自然》杂志上报告说，他们观察到了majorana粒子的关键特征可是，一些专家对一些数据分析提出质疑，2021年3月，这篇论文被撤回

想象一个可能的准粒子是一回事，但在绝对零度附近的实验中观察到它又是另一回事样本是由一个又一个原子组成的，微小的杂质可能会毁掉一切但是达斯萨尔马没有退缩，他认为，马霍拉纳粒子会被观测到，因为它的理论是纯粹的这只是工程问题，不是物理问题

02.用电磁极化子模拟黑洞。

准粒子家族不断壮大，其一系列不寻常的特征为物理学家提供了丰富的武器它们甚至可以用来模拟黑洞等系统，帮助我们探索不可及的物理

在宇宙的某些区域，当引力强大到连光都无法逃脱时，就会形成黑洞通俗地说，黑洞附近的场景有点类似于从浴缸里拔出塞子时的场景:水绕着出水口旋转，离中心太近，难免会被吸入漩涡可是，一种叫做极化子的准粒子可以用来更好地模拟黑洞

极化子是一种类似于半光半物质的准粒子当粒子的模拟晶格冷却到接近绝对零度时，会产生电磁极化子在实验中，研究人员使用两个镜子将一个光子捕获在一个装有激子的笼子中激子也是一种准粒子，由一对相互环绕的电子和空穴组成但它不同于majorana粒子，在majorana粒子中，一半的电子和一半的空穴存在于同一位置

激子是一对电子和空穴相互吸引形成的准粒子。

光子会在两个镜子之间来回反射100万次左右，然后逃逸在反射过程中，光子会与激子混合形成极化子这样，许多光子和激子被限制并结合形成极化子，极化子一般表现得像液体光一样，没有摩擦和散射研究人员设计了电磁极化子的流动来模拟黑洞周围的光运动

液态光是光与物质相互作用形成的超流体，可以显示液体的行为

液态光是不稳定的，光子最终会逃逸正是这个泄露光子的笼子让物理学家能够研究黑洞如何随时间演化

2020年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯提出了旋转的黑洞会失去能量并逐渐减速的理论巴黎索邦大学的物理学家Maxime Jacquet用电磁极化子验证了这个想法他说天体物理学做不到这一点，但是用电磁极化子模拟黑洞的实验可以，这是从实验到真黑洞的飞跃

03.永不衰变的磁子。

如果一个准粒子能够衰变，它最终也会衰变例如，一个称为磁振子的准粒子可以衰变为另外两个磁振子，只要这些生成粒子的能量不大于原来的磁振子磁子是晶格中电子自旋结构集体激发的准粒子，可以看作是定量的自旋波它们的自旋为1，服从玻色子的行为

动画显示，电子自旋波在反铁磁材料中传播，其中相邻的原子具有相反的自旋当一个合适波长的光子或轻粒子撞击一个原子并扰乱其自旋时，这种扰动就像水中的涟漪一样扩散开来

但一般来说，准粒子是相当稳定的，原因有二:一是它们出现在温度非常低的系统中，所以开始时能量很低，而且准粒子之间的相互作用很弱，很少有扰动触发它们的衰变。

如果系统有很多扰动，准粒子会不会更容易衰变物理学家原来想的这么天真但哈佛大学凝聚态物理学家鲁本·韦里森用他的研究颠覆了这一观点

在2019年发表的一篇论文中，Verresen和他的同事描述了他们如何从理论上模拟准粒子的衰变，然后逐渐增加准粒子之间相互作用的强度，看看会发生什么起初，准粒子确实像预期的那样衰变得更快但随后，令人惊讶的是，当相互作用非常强时，准粒子变得稳定，寿命变得无限长

研究小组随后用计算机模拟了超冷磁体的行为，结果确实看到了不会衰变的磁振子这提高了物理学家对具有强相互作用的准粒子的理解，并可以帮助解释磁振子的一些令人困惑的特征这些永不衰变的磁振子不仅仅是理论上的想法，而是在自然界中实现的

原子和孢子

结果表明，准粒子比人们曾经认为的要强大得多粒子和准粒子之间的界限变得模糊韦里森甚至认为两者没有根本的区别

准粒子是由许多粒子结合而产生的但是我们所说的基本粒子，比如夸克，光子，电子，可能并没有我们想象的那么基础一些物理学家怀疑这些看似基本的粒子也是进化而来的——尽管没人能指出它们到底是从哪里衍生出来的

毕竟，到目前为止，我们还没有一个基本的理论来解释电子，光子等粒子是如何产生的很可能有一个更大的框架来统一一切在这个大框架下，我们认为的基本粒子可能并不是基本的，而是某种其他理论中的准粒子

极化子凝聚体中的室温超流性《自然物理学》

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