超级计算机分裂成电子是什么概念?

Posted 2021-01-24

包括加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)教授在内的三名国际理论物理学家团队发现电子有不寻常的反应，可能对所有的物理学有影响。这项研究近日发表于世界著名的由同侪评审的科学研究期刊：《科学 (Science)》。这项研究迈出重大的一步，使物理学家们有难得的机会研究看似不可能的分数粒子(fractional particles)。研究团队包括在滑铁卢大学的物理及天文学系教授Roger G. Melko、在美国北卡罗来纳州(N.C.)德罕(Durham)的杜克大学(Duke University)，在加州大学(University of California)微软研究院(Microsoft Research)的物理系教授Matthew Hastings，以及在瑞士(Switzerland)苏黎世(Zurich)理论物理研究所 (Institut fur Theoretische Physik)的主要作者博士后研究员Sergei Isakov。他们利用在加拿大安大略省的超级计算机联盟SHARCNET所提供的计算机性能及规模来进行仿真研究，发现冷却到接近绝对零度的分数粒子透露的重大讯息。研究人员成功地创造了一个仿真的量子材料晶体，它的属性刚好能调整到接近绝对零度的不寻常量子状态。当具有基本电荷的粒子被放置在这种状态中，研究团队观察到它自身分裂成两个独立的物体，每一个具有半个电子的电荷。研究人员能够测量到分裂粒子移动时的几个相关数值。这些数值是通用的，因此物理学家们可以应用于物理学的其他领域。

Melko表示，「我们证明的不仅是可以在计算机中建立一个分裂粒子，还有它们在相变(phase transition)时具有普遍性的影响。也就是说某些属性超越了系统的特性，例如我们的模拟材料。这些属性也存在于具有同样类型分数粒子的其他领域如物理、化学、生物。因此我们的研究能引导未来各个不同领域的研究来探讨这些奇怪的半电子。」没有研究高能量系统，研究团队反而利用低温物质能聚在一起的特性呈现有如准粒子(quasiparticle)的集体行为(collective behaviour)。从远处观察这些合作粒子的移动情形，与一般的自由粒子在本质上是无法区别的。而如这项研究所示，在适当的条件下，这些准粒子可以带有分数电荷。

Melko表示，「我们还不清楚这项研究的潜在影响。分数化在量子霍尔效应(fractionalization in the quantum Hall effect)的发现彻底改变了我们所认为的物质。它获得了诺贝尔奖(Nobel Prize)，而我们仍以这项成果为基础在做研究。对这些分数粒子的了解可能会影响我们所认知的超导电性，帮助我们开发更好的电子产品，甚至在未来量子计算机的设计中有所发挥。」研究团队去年秋天才发表一篇论文在《自然物理学 (Nature Physics)》。这次的研究题为「分数量子临界点的通用特征(Universal Signatures of Fractionalized Quantum Critical Points)」。这篇最初发现在低温物质态下分数粒子存在的证据的论文是几个月的合作研究及计算机仿真的成果。