重磅│科学家发现光可能存在的全新形态，或将开启量子物理宏观研究新时代

编者按：光可能是人类最熟悉却又最陌生的东西了。光不仅仅是为我们区分了白昼和黑夜而已：因为有了光，我们的眼睛才没有沦为装饰品；因为有了光，植物才能合成供养地球上整条食物链的有机物。

光是如此重要，以至于“上帝创世”时做的第一件事就是说：“要有光。”

然而，翻开一下人类对光的研究史，就会发现其实我们对光本身所知甚少。我们知道，光是波粒二象性的，光的速度按照狭义相对论的规定是绝对的，也意味着，铁轨边的手电筒射出的光和时速300公里/小时的高铁上的手电筒射出的光速度是一样的，等等。

然而，为什么光会具有这些性质，却让最顶级的物理学家也一筹莫展。我们甚至不知道，我们为什么不知道。

最近，理论物理学家们对于光又有了新的发现，他们经过建模后的计算结果，推断出光可能具有一种全新的形态，相关的论文发表在了8月5日的《自然·通讯》（Nature Communication）上。

最新研究显示，光与单电子结合后，会产生一种全新形态的光，这种光将同时具备电子和光的特性。

根据帝国理工学院（Imperial College London）科学家们的研究，光与电子的耦合可能带来一种全新的特性：光子工作电路，这将完全不同于现在常见的电子电路。

这种全新的耦合形式将帮助科学家们在可宏观观测的条件下，进行量子物理相关现象的研究。众所周知，量子物理主要适用的对象是尺寸原子的颗粒。

光被困在拓扑绝缘体纳米颗粒表面的假想图。图片来源：Vincenzo Giannini

在常规材料中，光与电子的相互作用在材料表面和内部都有发生。但使用理论物理原理建模后发现，基于光和拓扑绝缘体*材料的性质，在它们相互作用时，光可以只与位于材料表面的一个电子发生相互作用。

这将创造出一种同时具备光和电子某些特性的耦合体。举例而言，光是直线传播的，但与电子相结合后，将传播方向将会参照电子的运动轨迹，比如沿材料表面传播。

在光与电子耦合的相关研究中，文森佐·吉安尼尼（Vincenzo Giannini）博士和他的同事们对拓扑绝缘体纳米颗粒（topological insulator nanoparticle）周围的各种作用进行了模拟，纳米粒子的直径在0.0000001米以下。

吉安尼尼博士的模型显示，除了光会具备电子特性，并绕着纳米粒子循环运动以外，电子也会呈现某些光的特性。

通常情况下，电路中电子是沿着材料运动的，只有在遇到材料有缺陷时才会停止。然而，吉安尼尼博士的团队发现，在他们的模型中，即便纳米粒子表面存在瑕疵，在光的帮助下，电子依旧可以正常前进。

如果这一特性能被用于光子电路，这将使电路更加稳定，极大增强其抗干扰和抗物理缺陷的能力。

图片来源：www.nanowerk.com

吉安尼尼博士说：“该研究成果将对我们对于光的认知产生重大影响！拓扑绝缘体的发现不过是十年前的事，但已经为我们展现了可供研究的新现象，并且为探索某些重要物理学概念提供了全新的方法。”

吉安尼尼博士还补充道，以现有技术手段，实际观测到实验模型中的现象，应该没什么问题（拓扑绝缘体纳米颗粒已经能够在实验室小批量生产），研究团队目前正在与实验物理学家们合作，来对实验结果进行实践。

这支来自帝国理工学院的研究团队相信，这种新形态光的形成规模可以被放大，这会使得相关的物理现象更容易被观测到。

目前，量子现象（quantum phenomena）只能在微观层面、或超低温条件下被观测到，但来自帝国理工学院新的研究成果，将使科学家们能在室温下对量子现象进行研究——最直接的例子就是量子计算机，由于量子纠缠态容易消失，因此需要液氦冷却，在接近绝对零度，即零下273.15摄氏度的温度下工作。

若能实现量子物理现象的宏观观测，将会大大加速量子力学理论等发展。其意义将大大超过新发现一种光的形态本身。

*编者注：拓扑绝缘体是一个内部，或者说主体材料绝缘，但是表面有导电可能性的特殊材料。拓扑绝缘体常见于纳米颗粒中，本文的相关研究中，科学家们使用的是硒化铋（Be2Se3）纳米颗粒。

下图中显示的是普通的金属、半导体和绝缘体材料的能量带隙。一般的理解就是，当带隙为零，即价电子带（valance band）和导电带（conductionband）重合时，材料就导电，当带隙非常大时，材料即绝缘。

金属、半导体、绝缘体材料的带隙对比  图片来源：Pieter Kuiper

对于拓扑绝缘体，它的内部性质与普通绝缘体完全相同，它的表面则存在着位于带隙之间的导电态，因此在特定条件下，电子可以沿着拓扑绝缘材料的表面移动。

理想拓扑绝缘体的带隙  图片来源：A13ean

但拓扑绝缘体的独特之处并不在于表面可导电本身，而是它表面的导电态是受到时间反演对称（time-reversal symmetry）保护的。这种对称的简单解释就是在时间反演 T：t到-t运算下，物理系统所保有的对称性。

由于在大多数情况下，受到热力学第二原理，即熵增原理的限制，我们见到的大多数情况都是时间反演不对称的。因此，受时间反演对称保护的表面导电态，是拓扑绝缘体的最大特征。受保护状态只要对称性存在，就不会受到缺陷等外界因素的干扰。

时间反演对称（time-reversal symmetry）这个拓扑绝缘体的最大特性最早由欧力格·潘克拉托夫（Oleg Pankratov）等人在1987提出预测。2006年，马库斯·柯尼希（Markus Koenig）等人按照预测，在被夹在两片碲化镉材料中的碲化汞薄膜中观测到了这个现象。

参考：Nature Communication，Solid State Communications，Science，PhysicsReview Letters

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