量子伴侣的突然破裂令研究人员感到惊讶

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量子粒子也有一种“社交生活”。它们彼此互动并建立关系，而量子粒子最重要的特征之一就是它是“内向者”——费米子（fermion），还是“外向者”——玻色子（boson）。

外向的玻色子乐于挤进同一个共享的量子态，从而产生超导和超流等引人注目的现象。相比之下，内向的费米子在任何条件下都不会共享它们的量子态——这使得所有固体物质的结构得以形成。

图：激子形成于电子与空穴——即材料中缺少电子的可移动粒子空隙。当作为激子配对时，空穴和电子通常作为一对互通，但一项新实验探讨了当材料条件使这对电子被解散时会发生什么。图中，一个空穴（灰色球体）位于堆叠材料的底层，并与顶层的电子（青色球体）配对。顶层（黑色球体）中的电子都不愿意在材料中共享一个位置，也不会与激子中的电子共享。

来源： Mahmoud Jalali Mehrabad/JQI

但量子粒子的社交生活并不仅限于它们是费米子还是玻色子。粒子以复杂的方式相互作用，产生了我们所知的一切，而量子粒子之间的相互作用是理解材料为何具有特定性能的关键。例如，电子有时会与材料中的特定原子紧紧锁定在一起，使其成为绝缘体；而在其他时候，电子是独立的并自由移动——这是导体的标志。

在特殊情况下，电子甚至会彼此配对成忠实的“伴侣”，称为库珀对（Cooper pairs），正是它们让超导成为可能。这些量子关系是材料特性的来源，也是从最简单的电线到尖端激光器和太阳能电池板等技术的基石。

粒子相互作用中的意外结果

联合量子研究所（JQI）研究员Mohammad Hafezi及其同事着手研究调整材料中费米子粒子与玻色子粒子的比例将如何改变其中的相互作用。他们预计费米子会避开彼此，也会避开实验中选定的玻色子对应物，因此他们预测大量的费米子会阻碍玻色子的移动。

实验揭示了完全相反的结果：当研究人员试图用费米子构成的“路障”将玻色子冻结在原地时，玻色子反而开始快速移动。

“我们当时以为实验做错了，”前JQI博士后研究员、现任马里兰大学巴尔的摩分校助理教授的Daniel Suárez-Forero说道，“那是第一反应。”

但他们随后彻底检查了结果，并最终得出了一个解释。研究人员在2026年1月1日出版的《科学》（Science）杂志上分享了他们的实验和结论。他们偶然发现了一种举办“量子派对”的方法，粒子在派对上抛弃了它们的社交规范，产生了戏剧性的——且具有潜在用途的——行为变化。

电子与空穴如何相互作用

该小组的实验探索了电子之间以及电子与空穴（hole）形成的“伴侣”之间的相互作用。空穴并不像电子那样是真正的粒子。相反，它们是准粒子——表现得像粒子，但仅作为周围介质的一种扰动而存在。

空穴是材料中某一个原子缺失电子的结果，留下了未补偿的正电荷。空穴可以像粒子一样在材料中移动并携带能量，但它永远不能离开宿主材料。如果电子掉进空穴，空穴就会消失。

有时，电子和空穴会形成类似原子的排列（空穴扮演质子的角色）。当这种情况发生时，空穴和电子会一起移动，表现得像一个单一的量子对象，研究人员称之为激子。分解激子中的粒子通常需要能量，因此当激子移动时，空穴和电子几乎总是粘在一起。这一事实促使物理学家将激子的关系标签化为“单配偶制”。

复合激子是玻色子，而单个电子是费米子。两者结合在一起，为该小组关于费米子和玻色子相互作用的实验提供了一组合适的角色。

“至少我们当时是这么想的，”该小组前JQI研究生、现为西班牙光子科学研究所博士后研究员的Tsung-Sheng Huang说，“任何外部费米子都不应该分别看到激子的组成部分；但在现实中，情况却有点不同。”

设计实验并控制粒子

为了获得所需的粒子和合适的控制方法，研究人员通过精细地将一层薄材料以恰到好处的角度对齐在另一层薄材料上，创造出了一种具备实验所需特性的材料。这种材料的特性使他们能够轻松创建寿命相对较长的激子，而其结构通过提供一个整齐的网格点阵（激子或未配对电子必须驻留于此）来保持秩序。

由于这种结构，电子和激子眼中的材料并不是一个“只有站位”的音乐会场，而更像是一家为情人节布置的餐厅——所有的地板空间都挤满了亲密的小桌子。在材料中，每个激子和孤狼电子都需要坐在一张桌子上，而内向的单身电子不愿与任何人共享——无论是彼此还是与激子。

然而，激子通常不满足于待在原来的座位上。它们倾向于四处走动。但激子并不是公然穿过房间，而是偷偷摸摸地从一个相邻的空位跳到下一个——有时会导致绕过一堆被占用的桌子而走冤枉路。

在实验过程中，研究人员可以在材料的“座位表”中容纳数万亿个粒子，并且可以控制在房间内自由移动的激子和电子的数量。为了增加或减少电子，研究人员施加不同的电功率，这可以迫使电子进入或离开材料。为了增加激子，他们从现有材料中召唤它们。研究人员可以用特定颜色的激光照射材料，其原子会吸收光。来自激光的能量将电子从原子中撞击出来，产生激子。

图：图像上半部分展示了一种材料的分层结构，这些材料可以承载自由运动的电子（黑色球体）和由空穴（白色球体）与特定电子（青色球体）组成的激子。图像底部展示了材料为电子和激子创造的量子景观。它包含许多电子和激子想要居住的独特位置。激子可以移动到附近的空位，但不能移动到已经被电子占据的空位。

来源： Mahmoud Jalali Mehrabad/JQI

追踪激子并分析移动

研究人员能够追踪他们创建的激子最终落脚何处；他们只需观察其最终毁灭的迹象。当激子的电子和空穴最终结合时，它携带的额外能量必须有所去向，通常以光的形式发射。研究人员收集这些光，并将其作为激子最终位置的标记。这使他们能够确定每组激子在材料中扩散了多少，即使他们没有观察到它们各自的旅程。

“我们基本上可以做任何比例，”Suárez-Forero 说，“我们可以向系统中填充纯玻色子、纯费米子或任何比例。而扩散性，即玻色子的移动方式，会根据每种粒子的数量发生很大变化。”

在实验中，研究人员系统地调整了电子密度，并从由此产生的玻色子扩散变化中推导结论。他们利用激子的移动作为它们与电子及彼此之间相互作用的指示，将每组激子变成了一个实验传感器。

当电子非常少时，研究人员预计电子基本上永远不会遇到彼此，因此不会对彼此或激子产生太大影响。相反，大量的电子预计会避开彼此，并挡住激子的路。

事情起初正如预期的那样，随着电子密度的调高，激子移动的距离越来越短。激子越来越不得不寻找绕过电子的弯曲路径，而不是走大体上的直线。

最终，实验达到了几乎每张桌子都被电子占据的程度。研究人员预计这会使激子的扩散基本停止，但相反，他们观察到激子的迁移率突然跳跃。尽管激子的路径本应被封锁，但它们移动的距离却急剧增加。

“没人愿意相信这是真的，”该论文的第一作者、JQI研究生Pranshoo Upadhyay说，“就像是在问，你能重复一遍吗？在大约一个月的时间里，我们在样品的不同位置、使用不同的激发功率进行了测量，并在其他几个样品中复制了这一结果。”

他们甚至在Suárez-Forero结束JQI博士后工作并在日内瓦大学担任研究科学家期间，尝试在另一个实验室进行该实验。

“我们在不同的样品、不同的装置、甚至在不同的洲重复了实验，结果完全一样，”Suárez-Forero 说。

他们还必须检查自己是否误解了结果。他们只看到了激子的扩散，并没有实际观察到相互作用。他们依靠数学理论来解释结果，因此需要确保数学中没有隐藏错误。

揭开谜团与未来影响

该团队组成了强大的理论与实验协作组来弄清楚到底发生了什么。

“我们花了几个月时间与理论学家反复沟通，尝试了不同的模型，但没有一个能捕捉到我们所有的实验观察结果，”Upadhyay说，“最终，我们意识到激子的落位方式与系统中自由电子和空穴的落位方式不同。那是转折点——当时我们开始思考超越‘单配偶制’的激子。”

团队得出结论：极度拥挤的环境让激子放弃了“单配偶制”，因此研究人员将这种现象描述为“非单配偶空穴扩散”。本质上，这种令人惊讶的结果发生在实验者向材料（那家隐喻的餐厅）中充入大量电子时，每个电子都占据了一张桌子。

研究人员确定，当可用电子的比例达到足够的失衡时，每个激子中的空穴会将所有其他电子视为与它已经在一起的那个电子完全相同；激子单配偶制的常规准则失效了。

这种快速扩散是由空穴突然抛弃长期电子伴侣引起的。空穴不再与同一个电子一起从一张桌子挪到另一张桌子，而是与一个又一个电子进行“速配”——这让每个激子都能径直奔向目的地。由于没有了绕过所有单身电子的常规弯曲路径，每个激子在发出其标志性的毁灭闪光之前，都行进得远得多。

研究人员触发这种失衡的“约会池”和快速移动所需要做的，仅仅是调整电压。控制电压对于现有设备来说完全不是问题，因此这项技术具有广泛的潜力，可以方便地整合到未来利用激子的实验和技术中，比如某些太阳能电池板的设计。

研究人员已经利用这一关于激子和电子如何相互作用的新见解来解释其他实验。他们还致力于将对这些材料的新理解应用于在实验中实现对量子相互作用更大程度的控制。

“获得对材料中粒子迁移率的控制对未来技术至关重要，”Suárez-Forero表示，“理解激子迁移率的这种戏剧性增长，为开发具有增强能力的创新电子和光学设备提供了机遇。”

https://phys.org/news/2026-01-sudden-breakups-monogamous-quantum-couples.html