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Nat. Phys.：当电子在冷却过程中慢慢消失时......
光子盒研究院
许多物质在冷却到某个临界温度以下时，性质会发生变化： 例如，水结冰时就会发生相变。然而，某些金属的相变在宏观世界中并不存在。之所以会出现这种相变，是因为量子力学的特殊定律适用于自然界最小的构件领域。
人们认为，电子作为量子化电荷载体的概念不再适用于这些奇异的相变。波恩大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员现在找到了直接证明这一点的方法。他们的发现让人们对奇异的量子物理世界有了新的认识。
如果把水温降到零摄氏度以下，它就会凝固成冰。在这个过程中，水的性质会突然发生变化。例如，作为冰，它的密度比液态时低得多：这就是冰山漂浮的原因。在物理学中，这被称为相变。
但也有一些相变是物质的特征逐渐发生变化。例如，如果将一块铁磁铁加热到 760 摄氏度，它就会失去对其他金属块的吸引力：这时它不再是铁磁性的，而是顺磁性的。然而，这并不是突然发生的，而是持续不断的； 铁原子的行为就像微小的磁铁。
在低温下，它们彼此平行。加热时，它们会越来越多地围绕这一静止位置波动，直到它们完全随机排列，材料也就完全失去了磁性。因此，当金属被加热时，它既可能具有一定的铁磁性，也可能具有一定的顺磁性。
可以说，相变是逐渐发生的，直到最后所有的铁都具有顺磁性。在此过程中，相变的速度会越来越慢。这种行为是所有连续相变的特征。“我们称之为‘临界减速（critical slowing down）’。”波恩大学贝特理论物理中心的Hans Kroha教授博士解释说：“原因在于，随着连续转变的发生，两相在能量上越来越接近。”
这就好比把一个球放在斜坡上， 然后球会滚下坡，但高度差越小，滚动越慢。当铁被加热时，两相之间的能量差会越来越小，部分原因是磁化在转变过程中逐渐消失。
这种“减速”是基于玻色子激发的相变的典型现象。玻色子是“产生”相互作用的粒子（例如，磁性就是基于这种相互作用）。另一方面，物质不是由玻色子构成的，而是由费米子构成的；例如，电子就属于费米子。
相变的基础是粒子（或由粒子引发的现象）消失。这意味着，随着平行排列的原子数量减少，铁中的磁性会变得越来越小。“然而，费米子无法根据基本自然规律被摧毁，因此也不会消失。”Kroha解释道，“这就是为什么费米子通常不会参与相变。”
电子可以被束缚在原子中；这样它们就有了一个固定的位置，无法离开。另一方面，金属中的一些电子可以自由移动，这就是为什么这些金属也能导电。在某些奇特的量子材料中，这两种电子可以形成叠加态。
——这就是所谓的准粒子。
从某种意义上说，它们既是不动的，同时又是可移动的：这只有在量子世界中才有可能实现。与“正常”电子不同，这些准粒子可以在相变过程中被摧毁：这意味着在这里也能观察到连续相变的特性，特别是“临界减速”。
此前，科学家只能通过实验间接推断出这种效应。由理论物理学家Hans Kroha和苏黎世联邦理工学院Manfred Fiebig实验小组领导的研究人员现在开发出了一种新方法，可以直接识别相变时的准粒子坍缩，特别是相关的临界减速。
Kroha 在分享他们的发现时表示：“这使我们能够首次直接表明这种减速也可能发生在费米子中。”
这项成果有助于更好地理解量子世界的相变。从长远来看，这些发现也可能有助于量子信息技术的应用。
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02156-7[2]https://phys.org/news/2023-07-electrons-slowly-cooling-effect-unique.html[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/997212[4]https://www.spacedaily.com/reports/Unveiling_the_Quantum_Enigma_Phase_Transitions_in_Metals_999.html
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