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【导语】早在1978年，诺贝尔奖得主维尔切克和温伯格提出了轴子这一假想粒子，旨在解决量子色动力学中的强CP问题。多年来，轴子一直难以被探测，但最近，科学家们发现它可能以准粒子形态存在于二维材料中。轴子准粒子的发现不仅挑战了粒子物理学的传统认知，也为凝聚态物理学开辟了新的研究领域。本文将深入探讨轴子的本质、探测难度、以及在固体宇宙中的观测与潜在应用价值。

早在1978年，诺贝尔奖得主维尔切克（Frank Wilcze）和温伯格（Steven Weinberg）从理论上提出了一种粒子——轴子（Axion），目的是为了解决量子色动力学中的强CP问题。多年来，轴子始终作为一种假想粒子而存在。直到最近，它作为一种准粒子形态，有可能在二维材料中被观测到了。

到底“轴子”是一种什么样的粒子？它为什么如此难以探测？在二维材料中为何又能观测到“轴子准粒子”？固体宇宙中的轴子有什么实用价值吗？我们来聊聊如何在固体宇宙中狩猎轴子。

物理学家最喜欢追问的一个问题是：我们这个世界的本源是什么？这个问题包含两个方面：一是组成这个世界最基本的物质是什么？二是物质之间的相互作用有哪些？比如，万物可以分割成一个个的原子，原子(zi)可(kě)以(yǐ)分(fēn)成(chéng)质(zhì)子(zi)、中(zhōng)子(zi)和(hé)电(diàn)子(zi)，质(zhì)子(zi)和(hé)中(zhōng)子(zi)还(hái)可(kě)以(yǐ)继(jì)续(xù)分(fēn)成(chéng)三(sān)个(gè)夸(kuā)克(kè)，最(zuì)终(zhōng)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)们(men)发(fā)现(xiàn)，宇(yǔ)宙(zhòu)那(nà)么(me)大(dà)，组(zǔ)成(chéng)它(tā)的(de)“基(jī)本粒子”却是有限的，共计61种。根据粒子之间的相互作用不同，61种基本粒子划分为夸克、轻子和传播子三大类。其中传播子就是传递相互作用的粒子，没(méi)错(cuò)！物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)们(men)把(bǎ)物(wù)质(zhì)之(zhī)间(jiān)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)也(yě)简(jiǎn)化(huà)成(chéng)了(le)“粒(lì)子(zi)”。比(bǐ)如(rú)传(chuán)递电磁相互作用的是光子，传递夸克相互作用的是“胶子”，传递弱相互作用的是“规范玻色子”等。其中有一个比较特殊，就是传递引力相互作用的是“引力子”，至今没有被发现，如果加上它，基本粒子家族就是62种。那么，这些基本粒子真的就无法再分了吗？或者说，除了这些成员之外，还有没有漏网之鱼呢？

基本粒子的标准模型

的确，再完美的模型都会有漏洞。基于标准模型在描述夸克-胶子等强相互作用时，存在一个允许CP破坏的情况，就是电荷和宇称联合操作的对称性不能保持，这个可能性很小，小于十亿分之一，但不为零。这个问题困扰了物理学家很多年，直到佩切伊（Roberto Peccei）和奎恩（Helen Quinn）提出了一种新的理论模型才得以解决，而维尔切克（Frank Wilcze）和温伯格（Steven Weinberg）发现这个理论模型必须引入一种全新的粒子——一个被命名为“轴子”（axion）的家伙。简单来说，轴子的引入，目的是希望它与其他物质之间相互作用很弱且质量很小，大约是电子质量的十亿到千亿分之一，这样才会允许在强相互作用中出现极弱的CP破坏。

正是因为轴子几乎不与其他粒子发生相互作用，所以它极其难以被探测，也被认为是(shì)构(gòu)成(chéng)宇宙中暗物质的重要成分。当然很难被探测并不意味着不能被探测，科学家们就喜欢挑战这样的难题，于是，一场狩猎轴子的世纪之旅就开始了。轴子虽然相互作用很弱，但是一旦发生相互作用，就会出现一些奇妙的现象。比如把静电场和静磁场都旋转一个角度并互相混合起来，这样静磁场就可以产生电荷，而静电场则出现额外电流并产生磁场，注意这和动态电磁场的切换是完全不同的。在强磁场环境下，轴子也会有一定的概率与光子发生相互作用，两者相互(hù)转(zhuǎn)化。所以物理学家们设计了一系列非常有趣的实验去寻找轴子的踪迹，比如有闪光穿墙实验、第5种力测量实验、轴子望日镜、轴子晕(yūn)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)等(děng)等(děng)。科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)甚(shén)至(zhì)在(zài)深(shēn)山(shān)里(lǐ)挖(wā)了(le)一(yī)个(gè)洞(dòng)，里(lǐ)面(miàn)灌(guàn)满(mǎn)了(le)液(yè)氙(xiān)，试(shì)图(tú)在(zài)尽(jǐn)可(kě)能(néng)屏(píng)蔽(bì)其(qí)他(tā)电(diàn)磁(cí)信(xìn)号的同时(shí)探测到轴子暗物质的存在。虽然这些实验的结果越来越多，但目前尚未寻找到轴子的任何踪迹。

然而，凝聚态物理学家另辟蹊径，认为在固体宇宙里可以实现“轴子准粒子”。这个准粒子，指的是材料内部大量原子和电子之间的复杂相互作用，可以等效用某种假想的“粒子”来描述。比如传递原子热振动（也就是声波）的准粒子就是“声子”，超导材料中的电子对拆散后被激发的准粒子就是“波戈留波夫粒子”，类似的还有“外尔费米子”、“狄拉克费米子”、“马约拉纳费米子”、“斯格明子”等，这些都是以物理学命名的准粒子。甚至“引力子”也在近些年被宣布在二维电子气体系中被发现。

材料中磁电耦合下的轴子准粒子

轴子如果作为一种准粒子的形式存在于固体之中，对应的材料叫做“轴子绝缘体”。这类材料内部电子受到某种低对称性的保护，从而不具有宏观导电性，但具有较强的拓扑磁电响应。即施加电场时，会影响材料的磁性。在量子色动力学中，描述轴子的存在可以用一个θ量来定义CP破坏的强度；而在凝聚态物质中，同样可以定义一个θ正比于材料的磁电耦合系数α。在时间反演或空间反演对称性保护下，静态的θ是量子化的，可用于描述系统的拓扑不变量。但是，如果时间反演和空间反演同时被破坏，θ就会与磁涨落发生耦合，产生随时间的相干振荡，形成一种特殊的“波”，而这种波的准粒子就满足轴子的方程(chéng)，所(suǒ)以(yǐ)被(bèi)称(chēng)为(wèi)“动(dòng)态(tài)轴(zhóu)子(zi)准(zhǔn)粒(lì)子(zi)”。在(zài)实(shí)际(jì)材(cái)料(liào)体(tǐ)系(xì)中(zhōng)，时(shí)间(jiān)反(fǎn)演(yǎn)对(duì)称(chēng)破(pò)缺(quē)对(duì)应(yīng)着(zhe)铁(tiě)磁(cí)性(xìng)的(de)出(chū)现(xiàn)，空(kōng)间(jiān)反(fǎn)演(yǎn)对(duì)称(chēng)破(pò)缺(quē)则(zé)对(duì)应(yīng)材(cái)料(liào)原(yuán)子(zi)排(pái)布(bù)的(de)变(biàn)化(huà)。所(suǒ)以(yǐ)轴(zhóu)子绝缘体本质上也属于一种磁性拓扑绝缘体。

这种材料有没有呢？早在2019年，中国的理论物理学家就预言了轴子绝缘体材料MnBi2Te4。它是一种具有层状结构的准二维材料，每个单层里含7层原子且呈现铁磁性，相邻单层之间则是磁矩相反的反铁磁性。所以改变奇偶层数，就可以获得不同的磁性态。其中偶(ǒu)数(shù)层(céng)时(shí)，单层的铁磁性打破了时间反演对称性，同时层间也不满足空间反演对称性，所以有希望出现轴子准粒子。不过要想测量到θ随时间的周期性变化，却非常之难，因为需要同时激发材料中的磁涨落——对应的准粒子是磁振子，并在外加电场情况下，借助光学效应来观测θ在极短的时间内发生的变化，这个时间尺度大约几十皮秒，也就是10的-11次方秒量级。

一直到2025年4月16日，相关的实验结果才在著名学术期刊Nature上发表。实验结果清晰地展示了θ角，也就是材料中磁电耦合系数，以约44 GHz频率进行周期性振(zhèn)荡，振荡幅度甚至达到静态值的12%。科学(xué)家们认为，这种磁电耦合系数的振荡来自于材料内部贝里曲率的偶极矩调制，也就是和材料电子态的整体拓扑属性密切相关。而且，通过调节载流子浓度和外电场强度，这种振荡是可以被改变的，甚至有可能实现“可编程”的量子器件，用来探测宇宙深处轴子暗物质的存在。他们还预测，在一些同样具有很强磁电耦合效应的多铁性材料如Cr2O3和CrI3，以及磁性外尔半金属Co3Sn2S2和Mn3Sn等，也可以存在轴子准粒子。届时，有可能实现更加丰富的量子输运行为，如随时间演变的反常量子霍尔效应和以声子媒介的激光泵浦(pǔ)非平衡室温超导等。

可以说，轴子准粒子的发现，不仅给粒子物理学和宇宙学带来了新的启示，也为凝聚态物理学打开了新应用的大门。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：罗会仟

审核：姬扬 浙江大学物理学院教授

出品：中国科协科普部

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