南開大學研究團隊提出自旋矢勢與自旋AB效應

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阿哈羅諾夫-波姆（Aharonov-Bohm，簡稱AB）效應是一種量子力學現象，它深刻反映了經典理論和量子理論之間的聯系。南開大學陳省身數學所理論物理研究室教授陳景靈課題組在國際上首次提出電子的“自旋矢勢”假設，并以量子力學傳統方式提出一個關于“自旋AB效應”的思想實驗，可以用來檢驗自旋矢勢是否存在。相關研究成果近日在線發表于國家自然基金委員會主辦的《基礎研究》。

1959年，物理學家阿哈羅諾夫和波姆發現電磁類型的AB效應：在電子運動的空間中，無論是否存在電磁場，電子波函數的相位都會受到空間中電磁勢的影響。隨后，AB效應被實驗所證實。AB效應無疑是量子力學和電動力學發展史上的重要發現，阿哈羅諾夫由此獲得1998年度的沃爾夫物理學獎。AB效應令許多物理學家感到震驚，比如著名物理學家費曼曾評論說:“像這樣的東西就在我們周圍30多年之久，卻一直被忽略，這是一件有趣的事情。之所以被忽略，是由于存在一些定見，究竟什么是重要的，什么是不重要的。”2022年1月美國《科學》雜志報導科學家實驗觀測到了“引力類型的AB效應”。該發現表明AB效應這種新奇的量子現象不僅適用于電磁場，也適用于引力場。

受上述這些科學發現啟發，陳景靈團隊開始探索自旋類型的AB效應。AB效應表明特定的勢對于建立某種特定類型的AB效應至關重要，那么建立“自旋類型”AB效應的關鍵則是引入“自旋矢勢”。研究團隊假設電子具有自旋矢勢，由此構造系統的哈密頓量，并精確求解出它的量子波函數。基于系統波函數，研究組提出了一個含有“自旋矢勢”的雙縫干涉思想實驗，理論計算表明該效應能夠預言出完全不同于普通電子雙縫實驗以及電磁AB效應的干涉條紋，并有希望在實驗室中被觀測到。

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電磁AB效應(左)與自旋AB效應(右)示意圖 研究組供圖

此外，研究團隊基于“自旋矢勢”從理論上推出其誘導的“自旋磁場”，它與原始AB效應中的普通磁場相對應。同時，基于含有“自旋矢勢”的狄拉克方程，研究團隊自然地推導出量子力學中一些重要的自旋相互作用：比如偶極-偶極相互作用、凝聚態中的Dzyaloshinsky-Moriya相互作用，甚至還預言了一種新類型的自旋-軌道相互作用，這意味著“自旋矢勢”存在的合理性。關于“自旋AB效應”的研究將加深人們對“自旋”這一量子力學基本概念的理解，同時它可能的實驗實現也將為自旋探測等研究方向提供新思路。

該研究工作獲得國家自然科學基金項目的資助。