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物理學中有各種不同型別的粒子。基本粒子是指那些不可再分割的粒子，是物質的基本組成部分。其他粒子則是由基本粒子組成的束縛態，比如原子。除此之外，還有一類粒子被稱為準粒子。準粒子的行為很像基本粒子，但它們是由其他許多粒子的集體行為產生的。

通常，新的粒子發現於巨大的粒子加速器中，但在更簡單的實驗室或計算機模擬中，科學家也能發現一些準粒子。近日，科學家在計算機模擬中預測了一種全新的準粒子，它由類半導體材料中的兩個電子-空穴對組成，研究人員將它命名為π子（π-ton）。這種新粒子的研究已發表在《物理評論快報》上，文章還描述了如何通過實驗檢測出π子。

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維也納工業大學固體物理研究所的Karsten Held教授解釋道，“最簡單的準粒子就是一個空穴。例如，我們設想一下，許多原子在晶體中按規則排列，每個原子上都有一個移動的電子。當一個特定的原子失去了電子，這就被稱為空穴。現在電子從相鄰的原子向前移動。原來的空穴填住了，新的空穴打開了。”

○ 電子與空穴（示意圖）。

比起描述不斷移動的電子的運動，研究空穴的運動更加容易。如果電子向右，空穴就向左，這種運動遵循一定的物理規律，就像普通粒子的移動一樣。然而，與電子不同的是，在晶體外也能觀察到電子，但空穴只與其他粒子一起共同存在。在這種情況下，就是我們所說的準粒子。

Held教授也表示：“粒子和準粒子之間的分界線並不像人們想象的那麼清晰。嚴格來說，即使是普通的粒子，也只能在它們所處的環境中才能被理解。即使在真空中，粒子-空穴激發也會不斷髮生，儘管時間非常短。例如，如果沒有它們，電子的品質就會完全不同。從這個意義上說，即使在普通電子的實驗中，我們所看到的其實是準粒子電子。”

準粒子包括由電子和光之間的相互作用產生的耦子（polariton），還有激子（exciton）。激子在半導體物理學中具有重要作用，它是一個電子和一個空穴的束縛態，由半導體的價帶中的電子被光子激發到導帶時產生。在電子的位置，一個帶正電的空穴被留在價帶中，而電子仍然強烈地吸引著空穴。這種電子-空穴對的行為本身就像一個粒子，也就是激子。

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研究團隊最初研究的目標是激子，他們模擬了電子之間具有強相互作用的強相關材料。這種材料的行為由電荷密度波的漲落主導，也就是形成駐波的費米子線性鏈。

研究人員原本希望研究這些材料中激子形成的特性，他們開發了計算機模擬，來計算固體中的量子物理效應。但是很快，他們意識到，他們在計算中遇到了完全不同的東西，那是一種全新的準粒子。

研究團隊給這個先前未知的準粒子取名為π子，這個名字來源於這種準粒子的特性。兩個電子和兩個空穴被電荷密度漲落或自旋漲落結合在一起，而電荷密度漲落或自旋漲落總是從晶體的一個晶格點到另一個晶格點將它們的性質翻轉180度，也就是π。

○ 一個激子（左）和一個π子（右）背後的物理過程草圖（上）和費曼圖（下）。黃色的波浪線象徵著進入（和離開）的光子，將創造一個電子-空穴對，兩者分別由空心和實心的圓圈表示。粒子之間的庫侖相互作用用紅色的波浪線表示；虛線表示粒子和空穴的再結合；右邊兩幅圖的點線表示第二個粒子-空穴對的創造；黑線表示背後的帶結構。| 圖片來源：參考來源[3]。

這種從正到負的變化，也許可以想象成棋盤上從黑到白的變化。π子是通過吸收光子自發產生的。當它消失時，光子再次發射。

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目前，π子已經被發現並通過計算機模擬得到了驗證。為了確保這個結果不僅僅是他們模擬的一個特例，團隊在多個模型中重新建立了相同的條件，π子每次都會出現，因此，團隊認為它一定可以在不同的材料中被檢測到。

先前的一些實驗資料似乎表明，鈦酸釤這種材料可以容納一些不尋常的準粒子，研究人員也建議將鈦酸釤作為π子實驗有力的候選材料。他們相信，用光子和中子進行的其他實驗很快也可以提供更清晰的答案。

即使我們經常被無數準粒子包圍，能發現一種新的準粒子仍然是非常特別的事。除了激子，現在還有了π子。無論如何，這有助於更好地理解光與固體之間發生的量子相互作用。這一研究不僅對基礎研究十分重要，從半導體技術到光電技術，它也在許多技術應用中也發揮著重要作用。

https://phys.org/news/2020-02-quasi-particle-pi-ton.html

https://physicsworld.com/a/introducing-the-%CF%80-ton-which-could-be-the-newest-known-quasiparticle/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.047401