用轴子解释拓扑绝缘体上的异常霍尔效应

为了回答当代宇宙学最重要的问题而引入的假想粒子,其神秘性最近降低了一点点。RIKEN的物理学家和两位同事为轴子构建了数学基础——可以描述所谓的轴子如何生成类似弦的实体,从而在实验室材料中产生奇怪的电压。

轴子最早由物理学家在1970年代研究量子色动力学理论时提出。量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD)描述了一些基本粒子如何在原子核内相互作用。问题在于理论预测了尚未被观察到奇怪特性。

为了解决这个问题,物理学家决定为理论打上一个补丁——引入后来被称为“轴子”未知粒子。

物理学家很快意识到轴子也可以被看做是宇宙学难题的答案。宇宙中超过80%的质量是由被称为暗物质的神秘无形物质提供的。

RIKEN跨学科理论和数学科学项目的Yoshimasa Hidaka表示:“轴子是暗物质的候选者,但我们尚未找到它们。”轴子可能具有可被辨识的属性,因此物理学家一直在寻找它们存在的迹象。2020年6月,意大利格兰萨索实验室(Gran Sasso Laboratory)的XENON1T实验报告,暗示他们可能已经检测到轴子——但这一结果尚未得到证实。

另一方面,物理学家可以准备特殊材料——所谓的拓扑绝缘体,其表面上可传导电流,内部为电绝缘体——让它表现出其他奇怪的行为。有时,它们的电子聚集在一起并以某种方式移动,以致该材料似乎是由具有特殊性质的“准粒子”构成。这会在材料上产生额外的电压,被称为异常霍尔效应。

理论预测了轴子会以这种方式出现在拓扑绝缘体中,在那里它应以不同于常规粒子的方式与光子相互作用。

Yoshimasa和两个同事现在发展了轴子和光子之间相互作用的理论。即使轴子是点状粒子,该团队计算得出,在材料内部,光实际上与由轴子制成的扩展的线状构造(被称为轴离子弦)相互作用——将导致霍尔效应异常,而后者如前所述,早已在实验中被察到。

https://phys.org/news/2020-11-dark-candidate-stringy-effects-lab.html

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