發布時間：2020年12月18日
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霍金輻射是黑洞因量子漲落向外輻射粒子的現象。它是理解量子力學與廣義相對論之間聯系的關鍵。然而，在宇宙中，黑洞的霍金輻射因其極低的霍金溫度（納開爾文量級，遠低于微波背景輻射溫度）尚未被實驗證實。為了提高霍金溫度便于實驗觀測，人們提出了利用經典流體、量子流體、光纖等各種人工系統模擬黑洞及其輻射的方案。然而，到目前為止，玻色-愛因斯坦凝聚體中的聲學黑洞的納開爾文量級的霍金溫度依然很難被實驗觀測，光纖中的光學模擬黑洞也備受爭議。
以上這些體系均是基于聲子、光子等玻色子體系。與此不同的是，固體里存有大量電子、準電子等費米子，由于這些基本費米子間的靜電力強于引力很多數量級，由狄拉克半金屬模擬的費米性黑洞應具有較高的霍金溫度。然而，因缺乏可控的狄拉克費米子體系，此類費米子的霍金輻射的物理機制和真實材料的實現是普遍關注的重點，但未被解決。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室博士生劉行、宋晨晨在研究員孟勝的指導下，與北京理工大學教授孫家濤和美國猶他大學教授劉鋒、博士后黃華卿合作，在前期發現黑磷的電子能帶可受周期性光場的調制產生具有可調節斜率的狄拉克錐的基礎之上[Physical Review Letters 120, 237403 (2018)]，進一步利用第一性原理量子激發動力學計算和量子隧穿模型分析，預言了首個模擬費米子霍金輻射的真實系統，即激光場輻照下的黑磷（圖1）。這個系統呈現出迄今為止最高、且實驗可探測的霍金溫度（1-10 K）。
研究發現，通過輻照特定的空間非均勻激光場，二維黑磷呈現出在空間上連續分布的第二、第三、第一類狄拉克電子態。三類費米子的有效作用勢分別與史瓦西黑洞內部、邊緣、外部所對應的引力勢一致（圖2），因此可用狄拉克費米子體系模擬黑洞行為及黑洞的量子輻射效應。量子效應使狄拉克電子從第二類狄拉克區域向第一類狄拉克區域隧穿，形成了與史瓦西黑洞輻射同樣的普朗克輻射譜（圖3）。實時的第一性原理激發動力學模擬表明，具有比較弱功率（0.0003V/Å）的太赫茲（~7 THz）激光就可以實現對黑洞行為的模擬，并且黑磷在這一激光場不會被損壞。
光輻照雙層黑磷產生的“黑洞”呈現出3K的超高霍金溫度，遠高于引力黑洞及其它人工玻色黑洞的輻射溫度，這表明此理論方案可以在當前實驗室中實現。光照黑磷中的超高溫費米黑洞輻射的理論預言為實驗觀測霍金輻射奠定了基礎，也為研究凝聚態物質中的類天體物理現象提供了新的平臺和手段。相關研究成果發表在Physical Review Letters 37, 067101(2020)(Express Letters)上，研究工作得到科技部重點研發計劃和國家自然科學基金委員會的資助。
http://www.cas.cn/syky/202012/t20201214_4770717.shtml