窺見物理學家大腦中的“精靈” 任意子什么是？

窺見物理學家大腦中的“精靈” 什么是任意子?

光晶格中的原子自旋糾纏態示意圖

中國科學技術大學潘建偉等人在國際上首次通過量子調控的方法，在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的準粒子——任意子，并實現了任意子之間的編織交換過程。

日前，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國際上首次通過量子調控的方法，在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的準粒子——任意子，并證實了任意子的分數統計特性，向著實現拓撲量子計算邁出了重要一步。國際權威學術期刊《自然·物理學》發表了該成果。

任意子編織的示意圖

究竟什么是任意子?為什么它會在自然界中出現?

自然界存在著奇異粒子

1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現象——分數量子霍耳效應時，逐漸意識到這個效應中可能就存在任意子。

愛因斯坦曾說過：“常識只是人們在18歲以前對自然形成的一種偏見。”這話很詼諧，但寓意深刻。新的物理現象的發現，就會產生一種全新的理論。新理論相對于舊理論而言，一般總是要違背某些所謂的常識，分數統計及服從分數統計的任意子理論的誕生及其發展過程，就是一個典型的例證。

“量子力學中最美妙、最驚人的成就之一，就是給經典力學中毫無意義的全同粒子不可區分性原理賦予了全新的含義，真正不可區分的全同粒子之間具有強烈的相互作用”，中國科技大學陳宇翱教授告訴科技日報記者，這種相互作用通常是通過量子統計規則來實現的。一般說來，全同粒子可分為兩類：一類是費米子，具有強烈的排斥作用;另一類是玻色子， 都可以凝聚到能量最低態。

“多年來，人們一直認為自然界中只存在費米和玻色兩種量子統計。但有人對此提出了疑義，認為可能存在介于玻色子和費米子之間的新的全同粒子，這種粒子一般被稱為‘任意子’，它所遵循的統計規則叫分數統計”，陳宇翱說，最早指出這種新的量子統計可能存在的，是兩位挪威物理學家。在系統地研究了空間拓撲性質和全同粒子不可區分性原理后，意識到在二維空間中可能存在新的量子統計，1982年美國物理學家F·魏爾茨克提出了任意子的概念。

隨后研究表明，任意子可以存在于某些理論模型之中，當時的任意子僅僅是寄生在少數幾個理論物理學家大腦中的精靈，甚至被認為這只是一些數學上的奇異現象，誰都沒有料想到，現實世界中居然還真的會發現這種奇異粒子存在的跡象。1983年，人們在研究當時引人注目的一個宏觀量子現象——分數量子霍耳效應時，逐漸意識到這個效應中可能就存在任意子。

這在物理學界引起了廣泛注意，從而為任意子的理論研究注入了生機。在分數量子霍耳效應理論方面作出了杰出貢獻的美國物理學家R.B。勞克林指出，處在費米和玻色子之間的服從1/2統計的任意子的基態可能是超導的，他的理論簡單新穎，激發了人們對任意子理論進行深入細致的研究，成為理論物理研究中的一個熱點。

“當任意子的概念提出時，它似乎違反了量子力學的基本常識，但通過分析量子力學中拓撲性質后，找到了這種粒子在二維空間存在的可能性。”陳宇翱說。