一项新理论提出物体量子特性将逐渐延伸到环绕物质的大气中。在过去的几年里，一些特殊材料引起了科学家们的广泛关注。这些材料不由任何特殊物质构成，只是由质子、中子和电子等普通物质组成；但它不仅仅只是部分简单相加的总和。它拥有一系列显著特性和现象，甚至帮助物理学家们发现了物质的新阶段——除物质的固态、气态和液态之外。最令物理学家兴奋的一类材料名为拓扑绝缘体，更广泛地说是拓扑相变；其理论基础为其发现者赢得了2016年的诺贝尔奖。在拓扑绝缘体表面，电子流动比较平稳，而在其内部，电子则保持静止不动。
博科园-科学科普：因此其表面拥有与金属一样的导体性质，内部则是像陶瓷一样的绝缘体。拓扑绝缘体因其不寻常的物理特性以及在量子计算机和自旋电子器件上的潜在用途而引起了人们关注。但它的奇异特性并不总是显而易见。麻省理工学院物理学家、2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克•维尔切克表示：用传统方法观察这种材料，你很难判断出它是否具有这种性质。换句话说，许多看似普通的材料中可能隐藏着一些非同寻常具有潜在用途的特性。在发发表的一篇论文中，维尔切克和斯德哥尔摩大学物理学家蒋庆东提出了发现材料特性的新方法：探测围绕这种物质的薄薄光环——量子大气。
物质的一些基本量子性质能够在量子大气中表现出来。如果在实验中得到证实，这一现象不仅能成为量子力学仅有的几个宏观结果之一，而且可能是探索一系列新材料的有力工具。伊利诺伊大学香槟分校凝聚态物质理论家泰勒•休斯说：如果你问我这种情况是否会发生，我会说这一想法似乎个合理，不过我认为其影响很小，在新分析中计算出，量子大气效应将在可探测范围内，不仅如此，探测到这一效应假以时日将会实现。
1、影响范围
量子大气是物质周围一层薄薄的影响区域。根据量子力学，真空并不是完全真空；相反充满了量子涨落。例如如果把两个不带电的极板放在真空中，只有波长小于极板间距的量子涨落才能挤在极板之间。然而在板块之外，所有波长的波动都能适应。如果外部能量大于内部能量，板块将被推到一起。这种现象被称为卡西米尔效应，类似于量子大气影响。就像板块在靠近另一个板块时感受到更大的力一样，针状探测器在接近物质时也会受到量子大气影响。这就像任何一种现象，走近它，就会看到它带来的影响。
锑在一定程度上能够充当拓扑绝缘体——这种材料在除表面外的任何地方都能充当绝缘体。图片：Rob Lavinsky
这种影响性质取决于材料本身的量子特性。某些物质就像拥有自己的宇宙一样，有着自己的物理定律。约翰霍普金斯大学凝聚态物理学家彼得·阿米蒂奇说：现代凝聚态物理学非常重要的观点认为，我们掌握了拓扑绝缘体自身的不同规则。有些物质中含有磁单极子的物体，有北极，但没有南极。物理学家还发现了所谓的带分数电荷的准粒子，以及具有自我湮灭能力的反物质。如果其他物质中也存在类似的奇异性质，它们就会在量子大气中显现出来。从理论上讲，只要探测物质大气层，就能发现其各种各样的新性质。为了证明这样的想法，把研究重点放在了轴子电动力学的非正统规则上。
维尔切克在1987年提出了这一理论，用来描述轴子假想粒子如何与电和磁发生相互作用。物理学家此前曾提出，轴子能为物理学中最大的难题提供解决方案：为什么当粒子与其反粒子交换并在镜子中反射时，与强作用力的相互作用如此相同，从而保持了所谓的电荷和宇称对称。直到今天，没有人发现轴子存在的任何证据，尽管它们最近重新引起了人们对暗物质的兴趣。虽然这些规则在宇宙的大部分区域似乎都不成立，但事实证明，它们可以在拓扑绝缘体等材料中发挥作用。电磁场与这些被称为拓扑绝缘体的新型物质相互作用方式基本上与一系列轴子相互作用的方式相同。
2、钻石的缺陷
如果拓扑绝缘体等材料与轴子电动力学相匹配，其量子大气会对任何穿过大气层的物体都会产生明显影响。研究计算得出这种效应类似于磁场；如果在大气中放置一些原子或分子系统，它们的量子能级就会发生改变。然后研究人员可以使用标准的实验室技术测量这些变化幅度，这是一个非传统但非常有趣的想法。其中一个潜在系统被称为氮空位中心钻石探测器。NV中心是钻石晶体结构中的一种缺陷，在这种缺陷中，金刚石中的一些碳原子被替换为氮原子，而与氮相邻的位置保持空洞。
麻省理工学院物理学家弗兰克维尔切克 从轴子的工作中找寻灵感来发展量子大气理论。图片：Katherine Taylor for Quanta Magazine
这个系统的量子态高度敏感，使得NV中心能够探测到非常微弱的磁场。这种特性使它们成为强大的传感器，可应用于地质和生物学。这是一个很好的原则证明，通过NV中心材料，如拓扑绝缘体，可以确定其性能如何沿表面变化。其研究发表在《物理评论快报》上，详细描述了轴子电动力学产生的量子大气影响。要确定其他类型的性质如何影响大气，需要进行大量不同计算。
3、打破对称性
从根本上说，量子大气所揭示出的性质为对称性。物质不同相，以及一个相所特有性质，可以从对称的角度来考虑。例如在固态晶体中，原子排列在对称晶格中，晶格可以移动或旋转形成相同的晶体模式。然而温度升高时，键会断裂，晶格结构就走向崩溃。由此看出固体变成液体这一过程物体失去了对称性。材料可以打破其他物质基本对称性，如大多数物理定律都遵循时间反转对称。在镜子里看到的景像违反了宇称对称。这些对称性是否在材料中被破坏，可能意味着先前未知相变和潜在奇异性质是否存在。
在量子大气中，具有特定对称性的物质会引发同样的相违背行为。在依附于轴子电动力学的材料中，时间和宇称对称都被打破。通过探索物质大气层，能够进一步了解它是否遵循这种对称性模式，以及它具有哪种奇异特性。一些材料将秘密地打破我们所不知道也不怀疑的对称性，它们看起来与此事并无关联，但事实上它们一直潜伏着。这一实验比较容易可行，或许能在几周或几个月的时间内实现。如果一切顺利，那么“量子大气”这个术语可能会在物理学词典中永久存在。维尔切克曾创造过类似轴子、任意子和时间晶体这样的术语，曾想出那些令人信服的名字保持着良好记录，量子大气又将是一次成功！？
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《arXiv》,《物理评论快报》｜文：Marcus Woo/Quanta magazine/Quanta Newsletter
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