刚刚，基础物理又有重大突破！日本科学家发现量子世界最深层奥秘

百科大全 2025年08月06日 22:59 1 admin

刚刚，物理学界爆出了大新闻：科学家首次直接“抓住”了量子纠缠的幽灵，而驾驭它的，竟是宇宙最短的时间单位——普朗克时间！

你没看错，这项8月5日发表在顶刊《自然》合作期刊《npj Quantum Materials》上的颠覆性研究，来自日本大阪大学团队，他们在一种名为CeRhSn的神奇晶体中，窥见了量子世界最深层的奥秘。这一发现，将可能直接为量子计算机铺平道路，让我们距离那个充满无限可能的未来，又近了一大步！

▲ 艺术家构想图：在CeRhSn材料中，重电子发生量子纠缠。来源：Takuto Nakamura and Shin-ichi Kimura

◆ 01 一种“逼疯”电子的神仙材料

我们这个故事的主角，是一种听起来像化学元素周期表“乱码”的材料——CeRhSn（铈-铑-锡）。它平平无奇的名字下，隐藏着一个疯狂的内在世界。

这种材料内部的铈原子，构成了一种被称为“准戈薇晶格”（quasi-kagome lattice）的特殊网状结构。这可不是普通的网，它在几何上极其“完美”，以至于身处其中的电子们彻底“蒙圈”了。

在这里，电子们集体陷入了一种选择困难症，不知道该听从哪个原子的指令，正是这种混乱与彷徨，孕育了量子世界的奇迹。

在这种“几何阻挫”效应下，电子的行为开始变得诡异起来。它们仿佛穿上了一件由强相互作用力织成的“隐形重甲”，有效质量暴增，变成了行动迟缓的“重费米子”（heavy fermions）。更重要的是，它们不再遵守普通金属世界里的“交通规则”，行为完全无法用传统理论解释，物理学家称这种状态为“非费米液体”（non-Fermi liquid）。

搞不懂？不要紧，你可以把它们看做是电子世界里的摇滚巨星，无视所有规则，我行我素，而它们的疯狂舞台，正是物理学中最神秘的量子临界点。

◆ 02 宇宙节拍器与电子的“宿命”

如果说这些“重电子”是桀骜不驯的巨星，那么科学家发现，它们的每一次“心跳”和“呼吸”（即相互作用的弛豫时间），竟然都在遵循一个宇宙终极的节拍器——普朗克时间。

那么什么是普朗克时间呢？它是量子力学里最小的时间单位，大约是10⁻⁴³秒。你可以把它理解为时间的“像素”，是宇宙这部“超高清电影”的最小帧率。任何变化都不可能比这个时间更短。

研究团队通过精妙的光学实验发现，这些重电子的寿命，恰好被这个宇宙极限时间所约束。这种现象被称为“动态普朗克标度”（Dynamical Planckian Scaling, DPS）。

▲ 实验核心证据：动态普朗克标度图，不同温度下的数据竟能完美地重合在一条线上。来源：npj Quantum Materials (2025)

更神奇的是，这种现象只发生在晶体的特定方向上——也就是那个逼疯电子的“准戈薇”平面。这意味着，这种宇宙级的节律，与材料的奇特结构息息相关。

也就是说，整个宇宙都在以一个固定的节拍滴答作响，而这些电子的每一次互动，都完美地踩在了这个节拍上。这不仅仅是巧合，这是物理定律在低语，暗示着背后更深层的联系。

◆ 03 抓住了！量子纠缠的直接证据

那么，这个“更深层的联系”究竟是什么？答案直指量子力学最迷人的圣杯——量子纠缠。

量子纠缠，就是爱因斯坦口中“鬼魅般的超距作用”，两个粒子无论相隔多远，都像有一根无形的线连着，一个状态改变，另一个瞬间感知并随之改变。

在这项研究中，科学家们认为，观测到的“动态普朗克标度”，就是这些重电子们处于量子纠缠状态的直接证据。

领导该研究的大阪大学木村真一博士解释说：我们的发现表明，在这种量子临界状态下的重费米子确实是纠缠在一起的，并且这种纠缠由普朗克时间所控制。这一直接观察，是理解量子纠缠与重费米子行为之间复杂相互作用的重大一步。

换句话说，科学家们不再只是理论推测，而是在一个实实在在的材料里，“看”到了量子纠缠的“签名照”。

◆ 04 量子计算的“应许之地”

这项发现为什么如此重要？

因为它为我们打开了一扇通往全新世界的大门。量子纠缠是量子计算的核心动力源，此前，我们想实现和控制它异常困难。而现在，CeRhSn 这种材料的存在告诉我们，大自然本身就已经为我们准备好了“量子纠缠的温床”。

我们或许可以利用这类材料，开发出全新的、更稳定的量子比特，构建出强大的量子计算机。

所以这项基础物理的惊人发现，预示着我们可能正站在一个新时代的门槛上，从硅基的计算时代，迈向纠缠的量子时代。这扇门，刚刚被这块小小的晶体，撬开了一条缝。

参考文献：

Kimura, S., Lubis, M. F., Watanabe, H., Shimura, Y., & Takabatake, T. (2025). Anisotropic non-Fermi liquid and dynamical Planckian scaling of a quasi-kagome Kondo lattice system. npj Quantum Materials, 10(85). https://doi.org/10.1038/s41535-025-00797-w