圆周率π也有自己的专属冠名粒子了？奥地利维也纳技术大学科学家们用计算机模拟出了一种由两个电子和两个空穴组成的全新准粒子，并命名为π子。

相关论文发表在最新一期《物理评论快报》上。研究团队希望π子能帮助科学家理解光与固体的耦合，甚至像另一种重要的准粒子激子那样，在半导体技术和光电技术领域产生现实应用。

空穴也是粒子

我们熟悉的原子、质子、中子、电子等，都是参与构成物质世界的真实粒子。但在研究大量粒子组成的凝聚态结构时，一些现象也会被物理学家视作“准粒子”（quasi-particle）。

固体材料（如金属、非金属、半导体、超导体）内部的自由电子，在合适的磁场、压力、温度等外部条件下，会产生特定的集体活动趋势，仿佛是一个虚拟粒子。

换个角度来看的话，电子缺位造成的空穴（hole）也可以是个准粒子，而且是最简单的准粒子。

维也纳技术大学固体物理研究所教授卡斯滕•赫德（Karsten Held）解释道：“想象一下，比如说晶体中的许多原子按规则排列，每个原子都包含一个运动电子。只有一个原子缺少这个运动电子，这就造成了一个空穴。”

在这种情况下，旁边原子的电子可以移动过来填补这个空穴，身后同时留下了一个新的空穴。如果电子像这样不断地往右运动，那反过来也可以说这个空穴在往左运动。空穴的运动遵守特定的物理定律，就像一个普通的粒子。

显然，电子可以在晶体之外观测，空穴却只能与其他粒子结合存在。因此，它是个准粒子，而非真实粒子。

不过，粒子和准粒子的界限也并非一直如此清晰。赫德表示，严格来说，物理学家研究普通粒子都结合了对其所处环境的理解。即使在真空中，粒子-空穴激发也会持续发生，没有这种现象，我们对电子质量的认知也会完全不同。

计算机上出现的新粒子

有一种准粒子对于半导体来说很重要，就是激子（exciton）。如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，它们互相吸引，一定的条件下会在空间上束缚在一起，合体成一个准粒子。

为了研究这类激子，维也纳技术大学的这个团队开发出了一套方法，用计算机模拟的方式来计算固体中的量子物理效应，结果，他们在计算中发现了一种全新的准粒子。它由两个电子和两个空穴组成，在吸收一个光子后自发产生，消失时则会释放一个光子。

这两个电子和两个空穴的电荷密度或自旋会发生规律的涨落，从一个晶格点到下一个晶格点，相关特性会反转180度，按弧度来算就是π，宛如一张黑白交错的棋盘。因此，研究人员将准粒子命名为“π子”。

插图：两个电子和两个空穴构成π子，变化方式宛如一张黑白交错的棋盘

虽然目前只是计算机模拟的结果，但赫德相信π子会在一系列材料中检测到出来：“用钛酸钐材料做出的一些实验数据已隐隐指向了π子。后续一些中子和光子实验很快就会让大家看得更清楚。”

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