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假想粒子“轴子”，终于被找到了？

返罗会仟约 6 分钟

轴子是暗物质候选粒子之一，数十年来粒子物理学家不断搜寻，但至今未见其身影。不过，近年在二维材料中，凝聚态物理学家观测了到“轴子准粒子”，这为相关研究带来新启示与应用可能。

撰文 | 罗会仟（中国科学院物理研究所）
1978年，诺贝尔奖得主维尔切克（Frank Wilczek）和温伯格（Steven Weinberg）从理论上提出了一种粒子——轴子（Axion），目的是为了解决量子色动力学中的强CP问题。多年来，轴子始终作为一种假想粒子而存在。直到最近，它作为一种准粒子形态，有可能在二维材料中被观测到了。
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轴子设想图
“轴子”到底是一种什么样的粒子？它为什么如此难以探测？在二维材料中为何又能观测到“轴子准粒子”？固体宇宙中的轴子有什么实用价值吗？
物理学家最喜欢追问的一个问题是：我们这个世界的本源是什么？这个问题包含两个方面：一是组成这个世界最基本的物质是什么？二是物质之间的相互作用有哪些？物理学家发现，万物可以分割成一个个的原子，原子又可以分成质子、中子和电子，质子和中子还可以继续分成三个夸克，最终物理学家们发现，宇宙那么大，组成它的“基本粒子”却是有限的，共计61种。根据粒子之间的相互作用不同，61种基本粒子划分为夸克、轻子和传播子三大类。其中传播子就是传递相互作用的粒子，没错！物理学家们把物质之间相互作用也简化成了“粒子”。比如传递电磁相互作用的是光子，传递夸克相互作用的是“胶子”，传递弱相互作用的是“规范玻色子”等。其中有一个比较特殊，就是传递引力相互作用的是“引力子”，至今没有被发现，如果加上它，基本粒子家族就是62种。那么，这些基本粒子真的就无法再分了吗？或者说，除了这些成员之外，还有没有漏网之鱼呢？
的确，再完美的模型都会有漏洞。基于标准模型在描述夸克-胶子等强相互作用时，存在一个允许CP破坏的情况，就是电荷和宇称联合操作的对称性不能保持，这个可能性很小，小于十亿分之一，但不为零。这个问题困扰了物理学家很多年，直到佩切伊（Roberto Peccei）和奎恩（Helen Quinn）提出了一种新的理论模型才得以解决，而维尔切克（Frank Wilcze）和温伯格（Steven Weinberg）发现这个理论模型必须引入一种全新的粒子——一个被命名为“轴子”（axion）的家伙。简单来说，轴子的引入，目的是希望它与其他物质之间相互作用很弱，且它的质量很小，大约是电子质量的十亿到千亿分之一，这样才会允许在强相互作用中出现极弱的CP破坏。
正是因为轴子几乎不与其他粒子发生相互作用，所以它极其难以被探测，也被认为是构成宇宙中暗物质的重要成分。当然，很难被探测并不意味着不能被探测，科学家们就喜欢挑战这样的难题，于是，一场狩猎轴子的世纪之旅就开始了。
轴子虽然相互作用很弱，但是一旦发生相互作用，就会出现一些奇妙的现象。比如把静电场和静磁场都旋转一个角度并互相混合起来，这样静磁场就可以产生电荷，而静电场则出现额外电流并产生磁场。注意，这和动态电磁场的切换是完全不同的。在强磁场环境下，轴子也会有一定的概率与光子发生相互作用，两者相互转化。所以物理学家们设计了一系列非常有趣的实验去寻找轴子的踪迹，例如有闪光穿墙实验、第5种力测量实验、轴子望日镜、轴子晕望远镜，等等。科学家们甚至在深山里挖了一个洞，放入灌满了液氙的装置，试图在尽可能屏蔽其他电磁信号的同时探测到轴子暗物质的存在。虽然这些实验的结果越来越多，但目前尚未寻找到轴子的任何踪迹。
然而，凝聚态物理学家另辟蹊径，认为在固体宇宙里可以实现“轴子准粒子”。这个准粒子，指的是材料内部大量原子和电子之间的复杂相互作用，可以等效用某种假想的“粒子”来描述。比如传递原子热振动（也就是声波）的准粒子就是“声子”，超导材料中的电子对拆散后被激发的准粒子就是“波戈留波夫粒子”，类似的还有“外尔费米子”“狄拉克费米子”“马约拉纳费米子”“斯格明子”等，这些都是以物理学命名的准粒子。甚至“引力子”也在近些年被宣布在二维电子气体系中被发现。
轴子如果作为一种准粒子的形式存在于固体之中，对应的材料应叫作“轴子绝缘体”。这类材料内部电子受到某种低对称性的保护，从而不具有宏观导电性，但具有较强的拓扑磁电响应。即施加电场时，会影响材料的磁性。在量子色动力学中，描述轴子的存在可以用一个θ量来定义CP破坏的强度；而在凝聚态物质中，同样可以定义一个θ正比于材料的磁电耦合系数α。在时间反演或空间反演对称性保护下，静态的θ是量子化的，可用于描述系统的拓扑不变量。但是，如果时间反演和空间反演同时被破坏，θ就会与磁涨落发生耦合，产生随时间的相干振荡，形成一种特殊的“波”，而这种波的准粒子就满足轴子的方程，所以被称为“动态轴子准粒子”。在实际材料体系中，时间反演对称破缺对应着铁磁性的出现，空间反演对称破缺则对应材料原子排布的变化。所以轴子绝缘体本质上也属于一种磁性拓扑绝缘体。
这种材料有没有呢？早在2019年，中国的理论物理学家就预言了轴子绝缘体材料MnBi2Te4。它是一种具有层状结构的准二维材料，每个单层里含7层原子且呈现铁磁性，相邻单层之间则是磁矩相反的反铁磁性。所以改变奇偶层数，就可以获得不同的磁性态。偶数层时，单层的铁磁性打破了时间反演对称性，同时层间也不满足空间反演对称性，所以有希望出现轴子准粒子。不过要想测量到θ随时间的周期性变化，非常之难，因为需要同时激发材料中的磁涨落——对应的准粒子是磁振子，并在外加电场情况下，借助光学效应来观测θ在极短的时间内发生的变化。这个时间尺度大约几十皮秒，也就是10的-11次方秒量级。
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MnBi2Te4的层状结构
一直到2025年4月16日，相关的实验结果才在著名学术期刊Nature上发表。实验结果清晰地展示了θ角，也就是材料中磁电耦合系数，以约44GHz频率进行周期性振荡，振荡幅度甚至达到静态值的12%。科学家们认为，这种磁电耦合系数的振荡来自于材料内部贝里曲率的偶极矩调制，也就是和材料电子态的整体拓扑属性密切相关。而且，通过调节载流子浓度和外电场强度，这种振荡是可以被改变的，甚至有可能实现“可编程”的量子器件，用来探测宇宙深处轴子暗物质的存在。他们还预测，在一些同样具有很强磁电耦合效应的多铁性材料，如Cr2O3和CrI3，以及磁性外尔半金属Co3Sn2S2和Mn3Sn等，也可以存在轴子准粒子。届时，有可能实现更加丰富的量子输运行为，如随时间演变的反常量子霍尔效应和以声子媒介的激光泵浦非平衡室温超导等。
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材料中磁电耦合下的轴子准粒子
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偶数层MnBi2Te4同时破坏了时间和空间反演对称性
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轴子准粒子与贝里曲率的关系
可以说，轴子准粒子的发现，不仅给粒子物理学和宇宙学带来了新的启示，也为凝聚态物理学打开了新应用的大门。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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