最近，物理學家們卻制造出了第一臺所謂的“好像能產生負質量粒子”的粒子發(fā)生器。

導語：負質量？顧名思義，即物質質量為負數。作為天文物理學的一個術語，負質量曾被天文學家用來描述宇宙的創(chuàng)生和演化：正質量區(qū)域是力學穩(wěn)定的，不會產生劇變式的爆炸。而當這種區(qū)域質量為負時大爆炸就會發(fā)生。這乍一聽似乎與我們相去甚遠，然而最近，物理學家們卻制造出了第一臺所謂的“好像能產生負質量粒子”的粒子發(fā)生器。

圖|來源：羅契斯特大學

該裝置會產生一個半光子/半物質粒子的奇異粒子。聽起來好像不是那么酷，但它可能會為未來新型激光器的研制打下基礎。這種新型激光器能以耗能比現(xiàn)有技術低得多的功率工作。

這一最新成果是建立在最近一種被稱為極化子行為的理論基礎之上的，極化子（polariton）似乎具有負質量——這是一種令人興奮的屬性，它能使物體向推動力來源的方向移動，而不是像正常情況一樣被推開。

現(xiàn)在，來自羅契斯特大學的物理學家已經創(chuàng)造出了前文提及的這種能在室溫下生成極化子的粒子發(fā)生裝置。

通過操縱被捕獲的光子，并把它們與一種被稱為激子（exciton）的準粒子結合起來，科學家們成功制出了一些被稱為“魔幻塵埃”的半光/半物質粒子。

不過，來自羅契斯特光學研究所的量子物理學家Nick Vamivakas說，這些“魔幻塵埃”僅能算作一項“物理學領域里的有趣且令人興奮的新成果”?！暗牵谶@次實驗中我們也發(fā)現(xiàn)，我們創(chuàng)造的這臺設備為科學家提供了一種產生功率可衰減激光的新方法?！?/span>

在深入研究激光之前，讓我們先搞清楚這個“魔幻塵?！睒O化子到底是什么。正如我們之前所說，產生極化子的過程包括一個將光子與被稱為激子的準粒子相結合的步驟。

如果把所有粒子比作一個樂團的話，那么這個樂團中就有諸如電子、夸克以及光子等各種不同的部分。

但嚴格來說，準粒子不能算是這其中單獨的一部分。相反，它們綜合了其他粒子的各種行為，就像是單簧管和長笛的和聲。

它們的組態(tài)就像離散的顆粒狀物體一樣，因此它們通常用于相同的目的。所謂的準粒子其實就叫做激子，它由一個電子加上一種叫做電子空穴的空隙組成。

圖|電子空穴對

二者被庫侖力綁定在一起，而這種庫侖力通常是在光線與某些物質相互作用時產生的。在這項研究中，這種與光作用的物質恰好是由二硒化鉬制成的原子級超薄半導體。

研究人員將半導體與光學微腔耦合在一起，從而構成了一個微小的鏡像走廊，用來使特定頻率的光形成駐波。這一過程會將激子的特性與光的駐波組合起來，以形成極化子。

這樣的準粒子并不是全新的。但據研究人員介紹，目前為止，大多數有關極化子的工作都只是在由中性激子和光子構成的準粒子上進行，而不會在其他復合體上進行。

這種新設備使研究人員能夠探測不同種類的極化子之間的相互作用。事實證明，這些相互作用非常奇怪。

圖|排斥的極化子

Vamivakas說：“通過使激子放棄一些光子特性來產生極化子，我們最終會得到一個與之相關的負質量物體?！?/span>

負質量是一個很難理解的概念，關鍵是要結合周圍環(huán)境來考慮它的作用。

質量往往被視為對某種力量的阻抗或回應。比如，推動和停止質量相對大的保齡球當然要比質量輕的彈珠更難。

在這種情況下，呈現(xiàn)出負質量性質的物體（例如極化物質）將會表現(xiàn)出令人意料不到的效果。

Vamivakas說：“這種性質確實會令人摸不著頭腦，因為如果你試圖推或拉負質量物體，它的運動方向會和你起初預料的方向完全相反?！?/span>

不過，這項性質可能會有一些令人興奮的應用，其中之一就是電磁輻射的受激發(fā)射。換一種更容易理解的說法：就是使光子在激光中排列起來。

Vamivakas說：“利用這種設備生成的極化子，我們獲取可供操作的激光的方式已經完全不同了?！睒O化子可以協(xié)助產生低能量輸入的激光，這表現(xiàn)了其負質量特性。

準粒子可能還不能算是粒子家族中的正式成員，但它們絕對是值得我們密切關注的奇異現(xiàn)象。

近年來，準粒子在粒子物理的其他領域已經成為了焦點新聞，在量子計算等技術應用中也顯示出了廣泛的潛力?；蛟S有朝一日，這種半光半物質的“魔幻塵?！睂⒊蔀橐环N全新的超級計算機的基石。

編輯 | 褚茗帆

審校 | 星亦

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