该研究中使用的量子自旋冰候选晶体——“镨铪酸盐”（Pr2Hf2O7）。
光究竟是什么？这也许是一个简单的问题，却让世界上最好的科学家困惑了好几个世纪。据美国物理学网6月6日消息，在《自然·物理》杂志今年4月刊发的一篇论文中，日本冲绳理工大学（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, OIST))的一个团队研究项目为解答这个问题带来了新的转折：在一种名为“镨铪酸盐”（Pr2Hf2O7）的材料中，他们观察到量子磁体模仿光的特征现象，从而把关于磁体量子特性的抽象理论转化为了一种关于新型光的可用实验检测的假设论断。
自从牛顿在1672年用棱镜做了光折射实验以来，科学界的争论一直围绕于光到底是由粒子，还是由波组成的。当时人们观测到，光似乎是以直线传播的，这符合粒子的传播方式，然而牛顿的实验表明它也有频率和波长，这又和声波的形式一样。直到大约200年后，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）才对这一模棱两可的难题给出了部分答案——他意识到光是由波动的电场和磁场所组成的。到了20世纪，通过爱因斯坦的研究，人们才最终认识到光是由一种名为“光子”的基本粒子所组成的，它的行为兼有粒子和波的特性。这一发现曾激励量子力学研究开拓出新的科学疆界——量子力学描述的是物质和能量在原子和亚原子层面上的特性与表现。
在20世纪末，物理学家们开始探索一种名为“涌现”（emergence）的现象。正如一大群人的行为可以不同于其中任何一个成员的行为一样，“涌现”描述的大群中的粒子一起作用所产生的奇异现象，这一理论带来的结果要么会揭示出新的物理学定律，要么能为旧的定律提供新的应用领域。
科学家们由此产生的一个新问题是：光是否也有“涌现”的现象？OIST的教授尼克·香农（Nic Shannon）与其量子物质理论组的博士生Han Yan和他们合作伙伴的最新研究，集中在一类被称为“自旋冰”（spin ice）的奇特的磁性系统上，这种系统能脱离所有传统形式的磁性顺序，从而打开一扇通往量子世界的窗户。
在自旋冰中，原子不仅不按磁力线排列，而且还一起进行作用，从而在原子层面上生成一个波动的磁场。最近，研究人员观测到，低温下的量子效应可以在自旋冰中引入一个涌现的电场，之后的结果令人非常惊讶：涌现的电场和磁场会结合在一起，并且会产生出与光子完全如出一辙的磁场激发态。香农教授介绍道：“它表现得就像光一样，但你用肉眼是看不到的。想象一下，自旋冰的晶体就仿佛一个微小的宇宙，它有自己的自然法则，你只能站在外面往里看。你怎么可能知道里面发生了些什么呢。”
Han Yan说：“对我来说，这种材料的性质就像一个迷你宇宙，其中有它自己的光和带电粒子。”香农教授则表示：“如果目前不借助于量子力学，我们将无法解释这些结果。因此，看来我们确实像是观测到了光的‘涌现’。”
閱讀更多 科學大觀園雜誌 的文章
