超冷電子中首次觀測到E8對稱

作為一種不同尋常的對稱形式，E8對稱被一些物理學(xué)家認(rèn)為是萬有理論的基礎(chǔ)。不過，之前人們從未在現(xiàn)實世界中直接或間接地觀測到這種對稱。在最新一期的《科學(xué)》雜志上，由英國牛津大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組發(fā)表報告說，他們首次在固體材料中發(fā)現(xiàn)了E8對稱。
　　物理學(xué)家聲稱，把一維自旋鏈冷卻到接近絕對零度，并在自旋垂直方向施加一個特殊磁場，此時觀測到的自旋配置譜(準(zhǔn)粒子)就可以用8維對稱群來加以描述。此項實驗工作也證實了長期以來對零磁場譜的推測。
　　1988年，俄羅斯物理學(xué)家亞歷山大·扎莫羅德奇科夫指出，在特定條件下，一維伊辛（Ising）鐵磁體中出現(xiàn)的自旋激發(fā)態(tài)譜可以用E8來描述。自旋鏈中的每個自旋只能與其最近的兩個電子自旋發(fā)生相互作用。在臨界溫度之下，相鄰的自旋趨于與自旋鏈的兩個方向之一（上或下）相垂直。在電子自旋垂直方向上施加磁場，會促使一些電子自旋自發(fā)地發(fā)生翻轉(zhuǎn)（向上或向下），并影響臨近電子自旋的翻轉(zhuǎn)。這種自旋鏈的翻轉(zhuǎn)就像一個粒子在傳播，因此這種粒子被稱為準(zhǔn)粒子。
　　英國牛津大學(xué)的拉杜·庫爾地和德國亥姆霍茲中心、英國布里斯托爾大學(xué)，盧瑟福阿普爾頓實驗室的同事們對這些準(zhǔn)粒子攜帶的能量進(jìn)行了測量。他們把鈮酸鈷樣品冷卻到40毫開爾文，通過向其發(fā)射中子激發(fā)出準(zhǔn)粒子。通過散射中子的自旋和能量相對于入射光子束的改變量就能計算出準(zhǔn)粒子的能量。
　　此次實驗在零磁場條件下測到了5個準(zhǔn)粒子。科學(xué)家們利用30年前石溪大學(xué)巴里·麥考伊和吳大峻等提出的方程進(jìn)行了理論解釋。
　　拉杜及其同事還在施加磁場的條件下重復(fù)了上面的實驗。當(dāng)磁場強度增加到5.5特斯拉的量子臨界值時，首次探測到的兩個準(zhǔn)粒子的能量比接近1.618，這個數(shù)字正好等于黃金分割率，與E8理論描述的準(zhǔn)粒子相符。
　　E8理論本身預(yù)言能觀測到8個準(zhǔn)粒子，但遺憾的是因為實驗條件所限，此次實驗僅能觀測到能量最低的兩個準(zhǔn)粒子。麥考伊認(rèn)為，很難利用中子觀測到更高能量的準(zhǔn)粒子，因為其能量與涉及兩個或兩個以上準(zhǔn)粒子連續(xù)散射所主導(dǎo)的區(qū)域相重疊。
　　拉杜表示，在鈮酸鈷實驗中觀測到的共振態(tài)，使人們得以首次觀測到發(fā)生在量子世界中的復(fù)雜的對稱性。此結(jié)果表明，類似“隱藏著”的對稱性也許同樣主導(dǎo)著其他材料在接近量子臨界點（此時電子會根據(jù)量子強相互作用規(guī)則進(jìn)行組織）時的物理特性。