近日，中外科學家團隊首次發現軸向希格斯模式的量子激發態，或有助于未來在室溫條件下對量子系統進行研究和優化。相關成果發表在《自然》(Nature)。

圖片來自《自然》(Nature)

前述團隊由美國波士頓學院研究人員領導，并由美國能源部國家量子信息科學研究中心QSC提供支持。團隊成員有哈佛大學、普林斯頓大學、馬薩諸塞大學阿默斯特分校、耶魯大學、華盛頓大學等科學家，其中還包括中國科學院固體物理研究所副研究員呂紅艷。

要理解軸向希格斯模式，首先要了解物理學最基本的理論之一：粒子物理標準模型。如圖所示，“圓盤”代表了粒子物理標準模型，每個字母均表示一種基本粒子，即內部沒有結構、無法分割的粒子。粒子間相互作用，解釋了世界的構成，并形成了一個系統，即標準模型。

“圓盤”最外圈為六種夸克和六種輕子，輕子包括人們所熟知的電子、μ介子、τ介子和它們相對應的中微子；中間一圈為光子、膠子、W玻色子、Z玻色子，均是傳遞相互作用的粒子；最中心的則是希格斯玻色子（即“上帝粒子”），于2012年在CMS和ATLAS（即歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的實驗）兩個實驗中同時發現。希格斯玻色子賦予了前述其它基本粒子的質量。

常規希格斯模式是由粒子物理標準模型中為基本粒子提供質量的希格斯機制所形成。與常規希格斯模式不同，軸向希格斯模式在室溫下就可以進行觀測。室溫條件這一特性可以幫助科學家在實驗中更有效、更經濟地操控量子材料，以實現多種應用，包括新一代存儲器和光電設備。而以往這些設備通常都需要極低的溫度條件。

軸向希格斯模式在稀土三碲化物(RTe3)中表現為低能激發。稀土碲化物是一類以展現電荷密度波(CDW)相互作用而聞名的量子材料。

為了測量軸向希格斯模式，研究人員使用拉曼光譜來觀測量子路徑干涉。量子路徑干涉可用于展示量子力學對物質的控制作用。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析，得到分子振動、轉動方面信息，以表征復雜材料的結構、性質的分析方法。他們在多個稀土CDW系統中發現了量子路徑干涉，并且這種現象一直持續到室溫，對軸向希格斯模式與附近聲子的混合或材料中的振動不敏感。

研究人員證實了軸向希格斯模式的存在，這種粒子激發態在圖中被描述為一個金色的球體；他們使用拉曼光譜學，將入射電場(藍色部分)與粒子耦合，隨后散射成不同的頻率(紅色部分)，圖片來自哈佛大學

“在實驗桌上模擬軸向希格斯模式的物理學的實驗，為我們理解和使用奇異粒子開辟了新的視野。”哈佛大學Narang實驗室博士后Ioannis Petrides說道。

大部分顯著的量子活動出現在極低溫度下，這需要依賴液氦的稀釋制冷機，否則量子材料的物理特性會無法觀測到或被噪聲掩蓋。盡管前述研究小組對CDW樣本進行了冷卻，但他們發現，即使將材料加熱到室溫，光譜測量產生的信號或波長仍然保持干凈。

研究人員預計，軸向希格斯模式可能也存在于超導體和磁性材料中，這將允許實驗人員在不依賴極端條件（例如極低溫度環境）或大規模設施下，對量子系統進行研究和優化。

研究人員表示，包含軸向希格斯模式的材料甚至可以用作新的量子傳感器，以對其他量子系統進行分類。進一步對其研究可能會幫助理解暗物質現象，而這些現象無法用標準模型解釋。

前述工作標志著在量子材料中探索包括軸向希格斯模式的奇異集體模式(exotic collective modes)的重要里程碑。哈佛大學助理教授、美國能源部國家量子信息科學研究中心QSC首席研究員Prineha Narang認為，這一成果是高能物理學與凝聚態物質領域之間的多學科交叉研究邁出的重要一步。