2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，它是其他粒子的質(zhì)量來(lái)源。至此，62種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn)，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型也得以完善。

但如果沒(méi)有聲子（phonon），這一切不可能發(fā)生。

聲子的概念是在研究晶格振動(dòng)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。同濟(jì)大學(xué)聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心主任李保文曾解釋稱，聲子并不是真正的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，是量子化的晶格振動(dòng)。之所以稱之為聲子，跟“聲音”的本質(zhì)是物體的“振動(dòng)”有關(guān)，實(shí)際上，聲子的希臘文就是聲音的意思。

聲子這一名稱由前蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈?duì)枴に酚?932年首次提出。他指出，正如光和電子對(duì)應(yīng)一樣，可以把聲波與我們稱之為“聲子”的某些粒子聯(lián)系起來(lái)。在固體中，尤其是在半導(dǎo)體和絕緣體中，“熱”通過(guò)晶格振動(dòng)來(lái)傳導(dǎo)，也就是說(shuō)，“聲子”是熱的載體。

在常溫下，聲子是準(zhǔn)粒子，固體材料的熱傳導(dǎo)主要由聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在極低溫度下，這些準(zhǔn)粒子“化身”為一群“牛仔”，驅(qū)趕著電子組成的“牛群”。這些電子的行動(dòng)整齊劃一，活動(dòng)時(shí)電阻幾乎為零，這便是低溫超導(dǎo)的原理。

正是超導(dǎo)磁鐵制造的巨大電磁場(chǎng)，讓質(zhì)子在LHC的大型圓形軌道內(nèi)彎曲前行。而在核磁共振成像（MRI）掃描儀中，這些超導(dǎo)磁鐵“變身”為指揮，引導(dǎo)人體組織內(nèi)的氧原子“跳舞”，釋放出可以追蹤的無(wú)線電信號(hào)。另外，在最近方興未艾的熱電材料領(lǐng)域，聲子也扮演著重要角色。這些熱電材料可將熱能轉(zhuǎn)化為電能，也有望實(shí)現(xiàn)科學(xué)家們一直以來(lái)的夢(mèng)想：將汽車引擎廢熱再利用，為電子產(chǎn)品供電。

自從塔姆提出“聲子”概念后，科學(xué)家們逐步在固體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了很多這樣的準(zhǔn)粒子。另一個(gè)此類粒子源于自旋，這一量子屬性是磁學(xué)的基礎(chǔ)。自旋就像原子上的一支箭，指向南或北；當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的所有自旋對(duì)齊時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)磁場(chǎng)。但當(dāng)這種自旋狀態(tài)不斷翻轉(zhuǎn)時(shí)，就造出了一種波效應(yīng)，科學(xué)家們將這種效應(yīng)稱為“磁振子（magnon）”。

普通電腦和智能手機(jī)存儲(chǔ)信息需要電力，設(shè)備斷電信息則無(wú)從獲取。如果用了磁振子，信息存儲(chǔ)將完全依靠磁場(chǎng)，無(wú)需電力，這就是所謂的自旋電子學(xué)（Spintronics）。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，它耗電很少——耗電量過(guò)大是晶體管芯片微型化遇到的主要問(wèn)題之一。如果用電磁波來(lái)控制磁振子，那么計(jì)算機(jī)完全可以擺脫電線和電力的束縛。

地球一個(gè)小時(shí)內(nèi)從太陽(yáng)獲取的能量，比全人類一年消耗的能量還要多。植物扮演了能量捕手的角色，而激子則是植物執(zhí)行這一任務(wù)的“秘密武器”。

在任何物質(zhì)中，電子以不同的能級(jí)存在。當(dāng)一個(gè)光子照射到物體表面時(shí)，它會(huì)將電子激發(fā)到更高能級(jí)，留下一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電，空穴帶正電，它們之間的庫(kù)侖吸引作用，在一定條件下會(huì)讓它們?cè)诳臻g上束縛在一起，這樣形成的復(fù)合體被稱為激子（excitons）。

植物的葉片中含有捕光蛋白，捕光蛋白內(nèi)的電子吸收光子獲得能量會(huì)被激發(fā)，離開(kāi)自己的位置，留下一個(gè)空穴，電子—空穴對(duì)形成的激子，會(huì)在植物的光合作用生產(chǎn)線上四處飄蕩。

當(dāng)激子到達(dá)需要它們的特定位置，電子跟空穴重組并釋放出能量，植物利用這些能量將水分解為氫和氧氣。

這一光合作用是地球生命的根源，人類一直期待可以在太陽(yáng)能電池內(nèi)模擬這一反應(yīng)。2013年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員找到了直接給激子“拍照”的方法，朝最終目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。

另?yè)?jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版2009年報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校物理教授萊昂尼德·布托夫及其同事已經(jīng)制造出數(shù)個(gè)基于激子的晶體管。這些晶體管有望成為新型電腦的基本模塊，它們所裝配出的電路也成為世界上第一個(gè)使用激子的運(yùn)算裝置。

如果你想擁有一臺(tái)真正的多進(jìn)程電腦，可以向量子計(jì)算機(jī)求助。仍處于萌芽階段的量子計(jì)算機(jī)利用了微妙且具有不確定性的量子態(tài)，可以對(duì)同一問(wèn)題同時(shí)給出多個(gè)解。只要外界環(huán)境不去打擾量子計(jì)算機(jī)“施魔法”，它就可以穩(wěn)定運(yùn)行。

馬約拉納準(zhǔn)粒子可以為量子運(yùn)算提供“量子比特（qubits）”，使量子計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。

普通計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息存儲(chǔ)在“比特（bit）”內(nèi)，每一比特都被編碼成0或1；量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息比特可同時(shí)以0和1存在，但這種疊加狀態(tài)非常脆弱。為此，物理學(xué)家們一直在尋找使量子比特更穩(wěn)定的方法。

上世紀(jì)30年代，意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，肯定有一種粒子，它和它的反粒子是一樣的?！榜R約拉納粒子”的概念誕生了，它沒(méi)有質(zhì)量，不帶電，是自己的反粒子，且總是成雙成對(duì)出現(xiàn)。馬約拉納粒子由于具有特殊的性質(zhì)，呈電中性，很少與環(huán)境相互作用，因此成為一種理想的量子信息編碼載體。

由于馬約拉納粒子總是成雙成對(duì)出現(xiàn)，意味著它們包含的信息都有兩個(gè)副本，因此從理論上說(shuō)，馬約拉納量子比特對(duì)外界噪音有更強(qiáng)的耐受性。但據(jù)荷蘭QuTech研究所的阿提拉·蓋賴什迪介紹，這些量子比特存在于巨大的電子效應(yīng)背景下，要想把馬約拉納準(zhǔn)粒子的信息提取出來(lái)非常需要技巧。

今年6月份，上海交通大學(xué)賈金鋒科研團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上撰文指出，他們通過(guò)一種由拓?fù)浣^緣體材料和超導(dǎo)體材料復(fù)合而成的特殊人工薄膜，已在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了馬約拉納費(fèi)米子，這不僅有助于量子計(jì)算機(jī)的研制，還有助于進(jìn)一步揭開(kāi)暗物質(zhì)的謎團(tuán)。

“外爾費(fèi)米子（Weyl fermions）”就像電子羞澀的“表親”。1929年德國(guó)科學(xué)家外爾（H. Weyl）提出：存在一種無(wú)“質(zhì)量”的可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”的電子，這種電子被稱為“外爾費(fèi)米子”。

外爾費(fèi)米子具有兩個(gè)關(guān)鍵特性：無(wú)質(zhì)量而有手性。沒(méi)有質(zhì)量意味著，它可以高速移動(dòng)，同時(shí)它對(duì)與其手性不符的干擾具有極高的抵抗力，這就使它很難散射：兩束不同類型的外爾費(fèi)米子流可以靠得很近卻不相互作用。有人提出，這些屬性使它可以成為超越自旋電子學(xué)運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

但80多年來(lái)，科學(xué)家一直沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到外爾費(fèi)米子，具有外爾費(fèi)米子特性的半金屬材料也是最近才“現(xiàn)身”。去年7月16日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家扎伊德·哈桑團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成果。該團(tuán)隊(duì)宣布，他們?cè)凇巴鉅柊虢饘佟敝邪l(fā)現(xiàn)了“外爾費(fèi)米子”；7月20日，中科院物理所官網(wǎng)發(fā)布消息稱，由該所方忠研究員率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，首次成功在TaAs晶體中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子。所以，“外爾電子學(xué)（Weyltronics）”時(shí)代已出現(xiàn)在地平線上，但還有很長(zhǎng)的路要走。