2025 年 1 月 10 日，《科學》雜誌發表了新加坡南洋理工大學領導的研究成果，他們開發出的突破性技術可奠定探測宇宙 「暗物質」 的基礎。研究證實自然存在的粒子能像軸子一樣發揮作用，為揭開宇宙秘密帶來新希望。

研究團隊和成果發表

2025 年 1 月 10 日，《科學》雜誌重磅刊載了一項由新加坡南洋理工大學張百樂教授課題組主導的前沿研究成果，該研究成果可以為探測宇宙的「暗物質」奠定基礎，使科學家比以前更接近揭開宇宙的秘密。

來源：Science官網

艱難的探索：尋找軸子的四十年

科學家們花了四十年時間尋找軸子。一種方法是通過實驗證明自然界現有的粒子能表現得像軸子，若能觀察到這種行為，將增加軸子真實存在的可能性，也可為開發檢測實際軸子的方法提供依據。

此前，研究人員多致力於證明電子可像軸子一樣運動，但過去的研究僅表明電子在二維空間中類似軸子運動，而軸子是在三維空間中運動和存在的。

（從左至右）新加坡南洋理工大學前研究員 Subhaskar Mandal 博士，張百樂教授，Yidong Chong教授

來源：ntu

重大突破：光子的 「軸子行為」

新加坡南洋理工大學的張百樂教授團隊另闢蹊徑，通過研究光子來解決這一問題。他們此前研究的具有磁性的層狀晶體結構，可改變光粒子的傳播和行為方式。

在研究中，他們回顧相關理論研究後假設，若晶體層具有交變磁性，晶體內的光子可能表現出類似軸子的行為。

這一假設得到了實驗的證實。研究人員使用釔鐵石榴石製成的晶體進行實驗，觀察到光子在晶體結構的三維邊緣上以單一方向傳播，且無向後散射等問題，這種行為與理論對軸子的預測一致。

張百樂教授表示，從新晶體結構中發現的結果讓他們更有信心利用這些晶體探測真正的軸子，為解開宇宙謎團奠定基礎。

韓國科學技術院的亞尼斯・塞默茨迪斯教授也認為，這項研究是重大突破，研究中使用的晶體結構為尋找軸子提供了有前途的替代方法。

光子拓撲反鐵磁體的構建過程及相關特性

構建策略與緊束縛模型：通過堆疊具有交替磁通量方向（Chern 數為 ±1）的二維 Haldane 模型層來構建拓撲反鐵磁體，相鄰層通過交替的層間跳躍和耦合，起初設以保持 z 軸鏡像反射對稱，該對稱可保護有限樣本鋸齒形側面的單表面狄拉克錐，同時使頂部和底部表面保持帶隙。

光子晶體單元設計：3D 光子晶體的單元由兩個磁光棒組成，夾在兩對穿孔金屬板和永磁體之間，六邊形單元兩組不等價角上的三角形孔用於層間耦合，保證維持 z 軸鏡像對稱，相鄰磁光棒磁化方向相反實現反鐵磁配置，使光子晶體 3D Dirac 點帶隙化，產生 11.19 - 12.58 GHz 的完整體帶隙，鋸齒形側面有單狄拉克錐。

實驗樣品情況：製備了 z 方向 40 層、x - y 平面單元細胞的樣品，展示了樣品照片及局部特寫，介紹了測量表面態的實驗設置，在 A1 表面測量得到的表面色散在 11.66 GHz 附近有與理論相符的單狄拉克錐。還實現了手性態的複雜編織形成 3D 單向網絡。

光子軸子絕緣體實驗關鍵環節：晶體構建法、特性測量及手性態編織情形

來源：Science官網

科研突破

這項研究成果標誌著新加坡在基礎物理研究領域的又一次飛躍，同時也凸顯了亞洲科學家在前沿科技領域中的創新與領導力。未來，讓我們期待科學家們的進一步突破，為探索宇宙奧秘帶來更多光明！