Only Perception: 科學家在量子世界中發現「黃金比率」

2010-01-08

科學家在量子世界中發現「黃金比率」

Golden ratio discovered in a quantum world
http://www.physorg.com/news182095224.html

January 7, 2010

來自 Helmholtz-Zentrum Berlin fur Materialien und Energie（HZB，德國）的研究者，與來自牛津、Bristol 大學還有英國 Rutherford Appleton實驗室的同僚合作，率先看見隱藏在固態物質中的奈米級對稱性。他們在測量這種對稱性的特徵之後，證明該屬性與因藝術與建築而聞名的黃金比率（golden ratio，黃金比例）一樣。

研究團隊將這些發現發表在 1/8 的 Science 期刊中。

粒子在原子尺度下的表現與我們在巨原子（macro-atomic）世界中所知並不相同。新特性因某種效應而浮現，稱為 Heisenberg（海森堡）的測不準原理（Uncertainty Principle，不確定性原理）。為了研究這些奈米級的量子效應，研究者聚焦在磁性材料鈮酸鈷（cobalt niobate）上。那由磁性原子串接而成，形成鏈狀，如同一條非常薄的條狀磁鐵，但只有一個原子寬，且在奈米級固態材料中是一種描述鐵磁性（ferromagnetism）的實用模型。

若使磁場與排成直線的自旋正交，這條磁鏈將變成新狀態，稱為量子臨界態（quantum critical），那可想成量子版本的碎形圖案。Alan Tennant 教授，這個柏林小組的領導者，解釋："該系統達到一種量子不確定性 -- 即「Schrodinger（薛丁格）貓」狀態。那正是我們在我們實驗中以鈮酸鈷所達成的事。我們精確調整該系統，使其轉變成量子臨界態。"

在調整系統並人為引入更多量子不確定性之後，研究者觀察到這條原子鏈表現如同奈米級的吉他弦。牛津大學的 Radu Coldea 博士（該論文的首席作者，而且打從十年前這個國際計畫開始就推動它到現在）表示："在這裡，張力來自自旋間的交互作用，導致它們帶磁性地共振。在這些交互作用中，我們發現一系列的共振音符（音階）：頭二個音符彼此顯現一種完美的關係。它們的頻率（音高）呈現出 1.618... 的比率，那是因藝術與建築而聞名的黃金比率。" Radu Coldea 確信這不是巧合。"那反映出量子體系的美妙特性 -- 一種隱藏的對稱性。那真的是很特別的一個，被數學家稱為 E8，而且這是它在某種材料中的首度觀察，" 他解釋。

「在鈮酸鈷中所觀察到的共振態」是一種戲劇性的實驗室實例，在這當中，為粒子物理學所開發的數學理論也許能在奈米科學中還有最終地未來技術裡找到應用。Tennant 教授表示在量子不確定性中發現了完美的協調性（harmony）而非失序（disorder）。"這發現正導致物理學家思索，量子、原子尺度的世界也許自有其內含的秩序。類似的驚奇也許在其他處於量子臨界態的材料中等待研究者。"

這些研究者利用一種特殊探針實現這些結果 -- 中子散射（neutron scattering）。那讓物理學家觀察某系統真正的原子級振動。Elisa Wheeler 博士，她在牛津大學與柏林都參與此計畫，解釋 "利用中子散射賦予我們無敵的洞察力：量子世界與日常生活能有多麼不同。" 然而，"極複雜的中子實驗與低溫設備以及精密的高場（high field）裝置整合的衝突性難題，真的使它成為一項非常具有挑戰性的工作。" 為了在 "極端狀態中" 成功達成 "這麼有挑戰性的實驗" 柏林的 HZB 使該領域的世界級領導者聚首。藉由結合位於柏林的特殊專門知識，同時獲得牛津附近 ISIS 的脈衝中子源優勢，使得該測量方法得以達到完美的結合。

※ 相關報導：

＊ Quantum Criticality in an Ising Chain: Experimental Evidence for Emergent E8 Symmetry
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/327/5962/177

R. Coldea, D. A. Tennant, E. M. Wheeler, E. Wawrzynska,
D. Prabhakaran, M. Telling, K. Habicht, P. Smeibidl,
K. Kiefer
Science 8 January 2010: Vol. 327. no. 5962, pp. 177 - 180
DOI: 10.1126/science.1180085

Quantum phase transitions take place between distinct phases of matter at zero temperature. Near the transition point, exotic quantum symmetries can emerge that govern the excitation spectrum of the system. A symmetry described by the E8 Lie group with a spectrum of eight particles was long predicted to appear near the critical point of an Ising chain. We realize this system experimentally by using strong transverse magnetic fields to tune the quasi–one-dimensional Ising ferromagnet CoNb2O6 (cobalt niobate) through its critical point. Spin excitations are observed to change character from pairs of kinks in the ordered phase to spin-flips in the paramagnetic phase. Just below the critical field, the spin dynamics shows a fine structure with two sharp modes at low energies, in a ratio that approaches the golden mean predicted for the first two meson particles of the E8 spectrum. Our results demonstrate the power of symmetry to describe complex quantum behaviors.