实验室晶体可被用于证实时空曲率如何影响外尔费米子。

图片来源：Robert Strasser, Kees Scherer; collage: Michael Büker

物理学家报告称，理论上应该出现在巨大引力场（如在黑洞附近或是在宇宙大爆炸之后等）中的一个独特粒子物理学效应，却在实验室内的一块材料中被观察到了。

由瑞士苏黎世附近IBM研究中心物理学家Johannes Gooth带领的团队称，他们观察到了一种长期以来所预测的轴性—引力异常效应的证据。它表示，巨大的引力场——广义相对论将其描述为巨大时空弯曲的结果——会破坏经常以镜像方式成对出现的特殊种类粒子的对称性，使一种粒子产生得更多，而另一种粒子产生得更少。

需要证明这种打破基础“守恒定律”的不寻常现象所需要的条件并不能在实验室中设立。但研究人员利用引力和温度之间的一种特殊平行，在铌磷化晶体中建立了这种异常现象的实验室模拟。加州大学伯克利分校该团队成员Adolfo Grushin说：“这种异常现象很难测量，即便间接证据也是一项大突破。”

在晶体内部，这种效应就像几副手套中突然间多出来几只右手手套，因为其中一些左手手套调换了手性。这个近日发表于《自然》的研究结果支持一个新兴观点，量子材料（性质由被量子机械效应主宰的晶体）可作为异常条件下才能见到的物理效应的试验台。

这些受异常效应影响的粒子是外尔费米子，它们由数学家赫尔曼·外尔在20世纪20年代提出。这些粒子不同于其他种类的费米子（如电子），因为它们似乎没有质量，同时还有一种偏手性或手性。

尽管外尔费米子据认为可能会短暂参与其他种类粒子的衰变，但它们从未被看作是单个的物理实体。不过在一些晶体内部，它们曾被发现作为“准粒子”存在。在这些材料中，量子机械效应会让其电子整体移动，它们的整体行为类似于外尔费米子的行为：像镜像对一样，手性外尔费米子通常以相等的数量生成。

2015年，研究人员揭示，强电磁场可以打破一种叫作狄拉克半金属的量子材料内的这种对称性，证明了高能物理领域长期以来预测的一种叫作轴性（或手性）反常的效应。

现在，Gooth团队已经确定引力或时空曲率也会破坏这种对称性。为了做到这一点，他们依赖引力和温度效应之间的联系，该效应认为，时空曲率对于外耳费米子的效应在数学上相当于温度的梯度效应。换言之，如果外尔费米子出现的材料的一部分比另一部分温度更高，那么也会出现异常现象。

Gooth解释，其中的原因“根植于爱因斯坦著名的方程式E=mc2”。“在相对论量子场理论中，能量和质量流变得相同。”他说，“质量流由引力场梯度驱动，而能量流由温度梯度驱动。因此，相对费米子温度梯度模仿了一种引力场梯度。”

研究人员在一个微电子电路中测量了“外尔半金属”磷化晶体铌的导电性。他们应用温度梯度和电磁场，看到了两种不同种类的外尔费米子中的不平衡性——通过样本朝着一个方向移动的左手性粒子的数量不同于朝着相反方向移动的右手性粒子的数量——产生的感应电流。此外，Grushi说，“当我们改变磁场时，电流的行为也正是轴性—引力异常理论所预测的结果”。

但并非所有人都认可他们的分析。西雅图华盛顿大学物理学家Boris Spivak主张，轴性—引力异常绝不会存在于外尔费米子中。他表示，温度梯度并不能诱导电子在两种不同手性的粒子之间转换。“有很多其他的机制可以解释他们的数据。”Spivak说。他认为研究人员仅是在熟悉的热电效应中测量磁场的影响，其中电子流是由温度梯度形成的。

但Gooth和同事不同意这种看法。他们表示，由温度引起的手性异常效应的存在具备强有力的理论上支撑。马萨诸塞州哈佛大学固态材料量子效应专家Subir Sachdev表示，研究人员“在轴性—引力异常的物理结果上有着充分的证据”。

Sachdev补充说，这种异常的存在毋庸置疑，“很高兴看到它存在于真实的材料中”。他表示，这确定了引力会以爱因斯坦相对论中指出的方式那样与量子场产生相互作用。

Grushin认为，了解这些材料中的类似异常如何表现将会通往新的物理学。IBM还希望这些发现可被用于激光和电子领域，因为它在铌磷化晶体内部产生了电流。Gooth说，利用这种异常性的设备或可提升从温度梯度中产生电能的材料的能效。（晋楠编译）