■ 導語
軸子是暗物質候選粒子之一，數十年來粒子物理學傢不斷搜尋，但至今未見其身影。不過，近年在二維材料中，凝聚態物理學傢觀測瞭到“軸子準粒子”，這為相關研究帶來新啟示與應用可能。
1978年，諾貝爾獎得主維爾切克（Frank Wilczek）和溫伯格（Steven Weinberg）從理論上提出瞭一種粒子——軸子（Axion），目的是為瞭解決量子色動力學中的強CP問題。多年來，軸子始終作為一種假想粒子而存在。直到最近，它作為一種準粒子形態，有可能在二維材料中被觀測到瞭。
軸子設想圖
“軸子”到底是一種什麼樣的粒子？它為什麼如此難以探測？在二維材料中為何又能觀測到“軸子準粒子”？固體宇宙中的軸子有什麼實用價值嗎？
物理學傢最喜歡追問的一個問題是：我們這個世界的本源是什麼？這個問題包含兩個方面：一是組成這個世界最基本的物質是什麼？二是物質之間的相互作用有哪些？物理學傢發現，萬物可以分割成一個個的原子，原子又可以分成質子、中子和電子，質子和中子還可以繼續分成三個誇克，最終物理學傢們發現，宇宙那麼大，組成它的“基本粒子”卻是有限的，共計61種。根據粒子之間的相互作用不同，61種基本粒子劃分為誇克、輕子和傳播子三大類。其中傳播子就是傳遞相互作用的粒子，沒錯！物理學傢們把物質之間相互作用也簡化成瞭“粒子”。比如傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞誇克相互作用的是“膠子”，傳遞弱相互作用的是“規范玻色子”等。其中有一個比較特殊，就是傳遞引力相互作用的是“引力子”，至今沒有被發現，如果加上它，基本粒子傢族就是62種。那麼，這些基本粒子真的就無法再分瞭嗎？或者說，除瞭這些成員之外，還有沒有漏網之魚呢？
的確，再完美的模型都會有漏洞。基於標準模型在描述誇克-膠子等強相互作用時，存在一個允許CP破壞的情況，就是電荷和宇稱聯合操作的對稱性不能保持，這個可能性很小，小於十億分之一，但不為零。這個問題困擾瞭物理學傢很多年，直到佩切伊（Roberto Peccei）和奎恩（Helen Quinn）提出瞭一種新的理論模型才得以解決，而維爾切克（Frank Wilcze）和溫伯格（Steven Weinberg）發現這個理論模型必須引入一種全新的粒子——一個被命名為“軸子”（axion）的傢夥。簡單來說，軸子的引入，目的是希望它與其他物質之間相互作用很弱，且它的質量很小，大約是電子質量的十億到千億分之一，這樣才會允許在強相互作用中出現極弱的CP破壞。
正是因為軸子幾乎不與其他粒子發生相互作用，所以它極其難以被探測，也被認為是構成宇宙中暗物質的重要成分。當然，很難被探測並不意味著不能被探測，科學傢們就喜歡挑戰這樣的難題，於是，一場狩獵軸子的世紀之旅就開始瞭。
軸子雖然相互作用很弱，但是一旦發生相互作用，就會出現一些奇妙的現象。比如把靜電場和靜磁場都旋轉一個角度並互相混合起來，這樣靜磁場就可以產生電荷，而靜電場則出現額外電流並產生磁場。註意，這和動態電磁場的切換是完全不同的。在強磁場環境下，軸子也會有一定的概率與光子發生相互作用，兩者相互轉化。所以物理學傢們設計瞭一系列非常有趣的實驗去尋找軸子的蹤跡，例如有閃光穿墻實驗、第5種力測量實驗、軸子望日鏡、軸子暈望遠鏡，等等。科學傢們甚至在深山裡挖瞭一個洞，放入灌滿瞭液氙的裝置，試圖在盡可能屏蔽其他電磁信號的同時探測到軸子暗物質的存在。雖然這些實驗的結果越來越多，但目前尚未尋找到軸子的任何蹤跡。
然而，凝聚態物理學傢另辟蹊徑，認為在固體宇宙裡可以實現“軸子準粒子”。這個準粒子，指的是材料內部大量原子和電子之間的復雜相互作用，可以等效用某種假想的“粒子”來描述。比如傳遞原子熱振動（也就是聲波）的準粒子就是“聲子”，超導材料中的電子對拆散後被激發的準粒子就是“波戈留波夫粒子”，類似的還有“外爾費米子”“狄拉克費米子”“馬約拉納費米子”“斯格明子”等，這些都是以物理學命名的準粒子。甚至“引力子”也在近些年被宣佈在二維電子氣體系中被發現。
軸子如果作為一種準粒子的形式存在於固體之中，對應的材料應叫作“軸子絕緣體”。這類材料內部電子受到某種低對稱性的保護，從而不具有宏觀導電性，但具有較強的拓撲磁電響應。即施加電場時，會影響材料的磁性。在量子色動力學中，描述軸子的存在可以用一個θ量來定義CP破壞的強度；而在凝聚態物質中，同樣可以定義一個θ正比於材料的磁電耦合系數α。在時間反演或空間反演對稱性保護下，靜態的θ是量子化的，可用於描述系統的拓撲不變量。但是，如果時間反演和空間反演同時被破壞，θ就會與磁漲落發生耦合，產生隨時間的相幹振蕩，形成一種特殊的“波”，而這種波的準粒子就滿足軸子的方程，所以被稱為“動態軸子準粒子”。在實際材料體系中，時間反演對稱破缺對應著鐵磁性的出現，空間反演對稱破缺則對應材料原子排佈的變化。所以軸子絕緣體本質上也屬於一種磁性拓撲絕緣體。
這種材料有沒有呢？早在2019年，中國的理論物理學傢就預言瞭軸子絕緣體材料MnBi2Te4。它是一種具有層狀結構的準二維材料，每個單層裡含7層原子且呈現鐵磁性，相鄰單層之間則是磁矩相反的反鐵磁性。所以改變奇偶層數，就可以獲得不同的磁性態。偶數層時，單層的鐵磁性打破瞭時間反演對稱性，同時層間也不滿足空間反演對稱性，所以有希望出現軸子準粒子。不過要想測量到θ隨時間的周期性變化，非常之難，因為需要同時激發材料中的磁漲落——對應的準粒子是磁振子，並在外加電場情況下，借助光學效應來觀測θ在極短的時間內發生的變化。這個時間尺度大約幾十皮秒，也就是10的-11次方秒量級。
MnBi2Te4的層狀結構
一直到2025年4月16日，相關的實驗結果才在著名學術期刊Nature上發表。實驗結果清晰地展示瞭θ角，也就是材料中磁電耦合系數，以約44GHz頻率進行周期性振蕩，振蕩幅度甚至達到靜態值的12%。科學傢們認為，這種磁電耦合系數的振蕩來自於材料內部貝裡曲率的偶極矩調制，也就是和材料電子態的整體拓撲屬性密切相關。而且，通過調節載流子濃度和外電場強度，這種振蕩是可以被改變的，甚至有可能實現“可編程”的量子器件，用來探測宇宙深處軸子暗物質的存在。他們還預測，在一些同樣具有很強磁電耦合效應的多鐵性材料，如Cr2O3和CrI3，以及磁性外爾半金屬Co3Sn2S2和Mn3Sn等，也可以存在軸子準粒子。屆時，有可能實現更加豐富的量子輸運行為，如隨時間演變的反常量子霍爾效應和以聲子媒介的激光泵浦非平衡室溫超導等。
材料中磁電耦合下的軸子準粒子
偶數層MnBi2Te4同時破壞瞭時間和空間反演對稱性
軸子準粒子與貝裡曲率的關系
可以說，軸子準粒子的發現，不僅給粒子物理學和宇宙學帶來瞭新的啟示，也為凝聚態物理學打開瞭新應用的大門。
本文2025年6月20日發表於微信公眾號 返樸 （假想粒子“軸子”，終於被找到瞭？），風雲之聲獲授權轉載。
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