中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
SF10组供稿
第101期
2020年12月14日
黑磷中的黑洞:费米子的高温霍金辐射

  霍金辐射是黑洞因量子涨落向外辐射粒子的现象。它是理解量子力学与广义相对论之间联系的关键。然而,赌场赢钱心得:在宇宙中,黑洞的霍金辐射因其极低的霍金温度(纳开尔文量级,远低于微波背景辐射温度)尚未被实验证实。为了提高霍金温度便于实验观测,人们提出了利用经典流体、量子流体、光纤等各种人工系统模拟黑洞及其辐射的方案。然而,到目前为止,玻色-爱因斯坦凝聚体中的声学黑洞的纳开尔文量级的霍金温度依然很难被实验观测。光纤中的光学模拟黑洞也备受争议。

  以上这些体系均是基于声子、光子等玻色子体系。与此不同的是,固体里存有大量电子、准电子等费米子,由于这些基本费米子间的静电力强于引力很多数量级,由狄拉克半金属模拟的费米性黑洞应具有较高的霍金温度。但是,因缺乏可控的狄拉克费米子体系,此类费米子的霍金辐射的物理机制和真实材料的实现是大家普遍关注的重点,但一直未被解决。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室的博士生刘行、宋晨晨在孟胜研究员的指导下,与北京理工大学孙家涛教授和美国犹他大学刘锋教授、黄华卿博士后合作,在前期发现黑磷的电子能带可受周期性光场的调制产生具有可调节斜率的狄拉克锥的基础之上【见Phys. Rev. Lett. 120, 237403 (2018)】,他们进一步利用第一性原理量子激发动力学计算和量子隧穿模型分析,预言了首个模拟费米子霍金辐射的真实系统,即激光场辐照下的黑磷(图1)。这个系统呈现出迄今为止最高、且实验可探测的霍金温度(1-10 K)。

  他们发现,通过辐照特定的空间非均匀激光场,二维黑磷呈现出在空间上连续分布的第二、第三、第一类狄拉克电子态。三类费米子的有效作用势分别与史瓦西黑洞内部、边缘、外部所对应的引力势一致(图2),因此可用狄拉克费米子体系模拟黑洞行为及黑洞的量子辐射效应。量子效应使狄拉克电子从第二类狄拉克区域向第一类狄拉克区域隧穿,形成了与史瓦西黑洞辐射同样的普朗克辐射谱(图3)。实时的第一性原理激发动力学模拟表明,具有比较弱功率(0.0003V/Å)的太赫兹(~7 THz)激光就可以实现对黑洞行为的模拟,并且黑磷在这一激光场不会被损坏。

  更重要的是,光辐照双层黑磷产生的“黑洞”呈现出3K的超高霍金温度。这远高于引力黑洞及其它人工玻色黑洞的辐射温度,表明此理论方案可以在当前实验室中实现。光照黑磷中的超高温费米黑洞辐射的理论预言为实验观测霍金辐射奠定了基础,也为研究凝聚态物质中的类天体物理现象提供了新的平台和手段。相关成果发表在近期出版的Chin. Phys. Lett. 37, 067101 (2020)(Express Letters)上。该工作得到科技部重点研发计划(2016YFA0300902,2015CB921001)和国家自然科学基金委(11774396, 91850120, 11934004)的资助。


图1. 双层黑磷中激光辐照产生费米子“黑洞”示意图。

图2.黑洞(Black Hole, BH)内外的光锥(上图)与模拟费米子黑洞内外的狄拉克锥(下图)的对照。

图3.双层黑磷中的费米子史瓦西“黑洞”所需的(a)光场分布及(b)霍金辐射谱。