電子關聯與多體物理

湧現準粒子

看看體育場裡觀眾做的「人浪」。一道起立又坐下的漣漪繞著場館掃過,活像個有生命的東西,可沒有任何一個人真的離開過自己的座位。這道浪是真實的——你看得見它、能給它計時、能看著它行進——然而它無非是由協調一致的人群構成的。湧現準粒子,就是物理學版本的體育場人浪。

在一種含有無數相互作用電子的材料裡,某些擾動行進、表現得如此俐落,以至於我們能把它們當作自成一體的粒子來對待——哪怕沒有任何一種基本粒子與之對應。說它們「湧現」,是因為它們只作為底層粒子的集體圖案而存在;說它們是「準粒子」,是因為它們像真正的粒子那樣攜帶能量、動量,有時甚至攜帶電荷或自旋。磁振子(磁體中那些已對齊的自旋裡行進著的一個晃動)就是個乾淨的例子。

它之所以重要,是因為它揭示了物理學中最深刻的觀念之一:全新種類的「粒子」,帶著基本構件裡從未見過的屬性,可以純粹從大量簡單部件如何自我組織中誕生。要誠實地補一句:湧現準粒子並不因為是集體的就更不真實——但它們沒法在其寄主材料之外存在,正如一道人浪離不開它的體育場。

在分數量子霍爾效應裡,被關在一張平面上、又被強磁場壓著的電子集體行動,使得它們的激發只攜帶一個電子電荷的幾分之一——比方說三分之一。沒有任何基本粒子帶有分數電荷,然而這些湧現準粒子,確確實實可測地帶著分數電荷。

分數量子霍爾激發攜帶一個電子電荷的幾分之一——這就是湧現準粒子。

每個湧現準粒子都是準粒子,但「湧現」二字強調的是:由此產生的東西可以擁有底層粒子統統沒有的屬性——分數電荷、反常統計之類。正是這份新奇,使得「湧現」成為物理學最令人驚訝的教益之一。

又稱
emergent particle涌现粒子湧現粒子