今天小编给大家推介一个有趣的工作：如何在固体材料里搞“星际穿越”？
说起星际穿越，大家首先想到的可能是这个：
或者是：
又或者是：
总之问起天体物理的哥们：你干嘛的？回答出的一串名词各个气势磅礴，不明觉厉，迷妹们的眼中充满了亢奋的光芒：好高大上哦！！！于此形成鲜明对比的是，你问一个做固体物理的：你丫干嘛的？回答：烧炉子的，跑程序的，调镜子的。。。瞬间灰头土脸呃。。。
今天来个咸鱼翻身，看看结合理论推导和第一性原理计算我们怎么在固体里搞出天体物理来。这是由北理工姚裕贵老师研究组，新加坡科技设计大学杨声远老师研究组，以及其他几位合作者完成的一个工作，论文的题目是“Artificialgravityfield,astrophysicalanalogues,andtopologicalphasetransitionsinstrainedtopologicalsemimetals”。不用小编多说，拓扑半金属大概是最近物理研究里最火的领域之一了。可是这里说的“人工引力场”，“天体物理效应”又是怎么来的呢？
原来，不论是Dirac半金属，还是Weyl半金属，他们在费米面附近最重要的特征就是线性的能带交叉。这种色散关系被称为“相对论性的”，原因在于它总可以写成洛仑兹协变的形式（说简单点，就是随便换参考系，物理定律的形式都保持不变，当然物理量要各自做变换）。而这个色散关系本身就包含了这个相对论性粒子所在时空的信息。当然，如果材料是均匀的，那时空就是平直的，也没有什么新东西。有意思的是一旦出现非均匀性，那时空就可能弯曲，等效的可以看作是粒子感受到了一个引力场。于是顺利成章的，我们就可以探讨一系列广义相对论和天体物理里折腾的效应。人工引力场的概念最早出现在超流的He-3A相的研究中，在那里准粒子的色散也是这种线性的。但是He-3A相的出现要在几mK以下，同时要精确的控制超流的流动来制造想要的引力场不用说你也想得到是非常困难的。而现在拓扑半金属的出现无疑给了我们新的机会。
在这个工作里，作者们提出利用非均匀的应力可以在拓扑半金属里制造出引力场。作为例子，他们用第一性原理方法计算了两种Dirac半金属的能带随着strain的变化。用低能线性模型来拟合能带，可以得到模型参数随strain的变化（见下图）。正是这些模型参数决定了粒子的时空度规。于是，如果我们施加应力使得strain随着空间平滑的变化，那么模型参数也会跟着在空间中变化，我们也就可以搞出弯曲的时空啦。简单明了！
文章讨论了几个简单的情况。第一种情况是一个随着z方向变化的strain。作者们指出，如果出现如下图所示的情况，那么就可以造出一个黑洞或者白洞来。黑洞就是只往里吞东西的区域，而白洞正相反，只吐不吞。其中的机制通过这个图很好理解：一个电子在黑洞的视界（eventhorizon）外面可以往左跑，也可以往右跑。但是一旦进入黑洞视界，那就变成单向的通道，只能往左跑了。文章指出在所计算的两种Dirac半金属中并没有出现黑洞或白洞区域，但是在其他的体系中这是可能存在的，而这些洞其实对应了所谓第二类的Dirac或者Weyl点。
讨论的第二个情况是一个随xy变化的strain。文章提出了一个模拟引力透镜的效应。如下图，strain产生的引力场可以模拟一个大质量的星体的效果。电子在其中运动的轨迹会被引力场弯折，就像光在通过太阳表面被弯折一样。结合第一性原理的结果，我们就可以模拟一个相对论性的粒子在任何引力场中的运动，并实验加以验证，是不是很酷？更有意思的是，还可以模拟一个负质量的星体，如图，这使得一个粒子的轨迹反而被排斥开。这种东西在天体物理中有过很多探讨，据说是形成一个稳定虫洞的必要条件。
最后，文章还讨论了可能存在的霍金辐射的效应。霍金辐射是说，由于真空的量子涨落，粒子-反粒子对可以到处产生，一般他们很快就互相湮灭了，但是如果在黑洞的视界附近产生的话，可以出现一个新情况：就是一个粒子被吸进黑洞，而另一个逃出来，形成所谓的霍金辐射。在拓扑半金属里，这对应着什么效应呢？文章指出假如确实实现了一个黑洞的视界，那么在其附近的电子-空穴激发就可能产生类似霍金辐射的效果。如下图，一个电子从视界内的费米海中隧穿到世界外的费米面上，产生一个电子-空穴对，空穴被吸进黑洞，而电子可以逃走。这个辐射的强度随着电子的激发能量的变化符合热力学分布，一般由一个所谓霍金温度的量来刻画。作者们通过类比得到了半金属中的霍金温度和模型参数间的一个简单关系。
怎么样，开脑洞是不是？大家做材料物理的也可以一言不合搞个黑洞！
这篇文章发表在npjQuantumMaterials,链接在这里（openaccess）：
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