在極端條件下，物質都會出現哪些奇特的性質？

01-08

比如超高溫、超高壓、超低溫、超低壓、強磁場、強光場等等條件下，物質都會出現哪些奇特的現象呢？比如，超導大家會比較熟悉。還有哪些神奇的性質，是大家不太熟悉的呢？它們的物理原理是什麼？有什麼潛在的應用價值？

說一個最近在做相關的。

我們都知道，在導體中加一個電場能夠產生電流， $vec{J}=sigma vec{E}$ 。而又知道電磁本同源，那麼有沒有可能加一個磁場也會產生電流呢？就像這樣 $vec{J}=chivec{B}$ 。在普通情況下來看，這好像是不可能的，因為電子在磁場中受力方向是垂直磁場的，磁場並不會做功。但是在某些極端情況，比如大型強子對撞機以及早起宇宙中的極端條件下，這是可以實現的。

下面內容比較專業，沒興趣的就到此為止了。

對於自旋 $frac{1}{2}$ 的費米子，用Dirac方程來描述：

$(igamma^{mu}partial_{mu}-m)psi=0$ ,

這個方程給出的解有四個，分別對應著左手正物質，右手正物質，左手反物質，右手反物質。正物質帶正電荷，反物質帶負電荷。在 $m$ 不為0的情況下，左右手的粒子是通過質量項混合在一起的，但是當質量為零，或者在實際情況下，電子以及 $u、d$ 夸克質量很小，在高能情況下可以忽略，左手粒子和右手粒子就互相獨立，互不干擾。而我們又知道，當有外磁場的情況下，正電荷的自旋趨向與磁場同向，負電荷自旋趨向與磁場方向相反，因此給這樣一團粒子加一個外磁場，就變成如下情況了：

其中R、L分別代表右手和左手粒子。左手粒子動量方向與自旋方向相反，右手粒子相同，所以上圖中的粒子運動方向是相反的。但是正常情況下，左右手粒子產生的數量平均起來是相同的，也就是上圖中向上向下的正負電荷數量分別都相同，最終的凈電流也為0。這麼看來也產生不了電流呀。

幸運的是，物理中總會有一些不那麼平庸的事情出現。在非阿貝爾理論中，比如QCD中，真空態是有無數個的，從微擾論來看這些真空態是等價的，但是用全局的眼光看，這些真空態是拓撲不等價的，而在高溫的情況下，實際的物理系統的真空是所有的真空態的疊加，這種效應等價於在原始QCD的拉氏量中加入一項（ $heta$ 項，軸子），而這一項的出現就會導致局域的左右手物質產生不對稱！！！比如說，左手粒子比右手的多，因此在上圖中，L+向下運動，R+向上運動，這兩個就會產生一個凈向下的電流；同理，L-和R-也會產生一個凈向上的負電荷流，也就是凈向下的電流。總體上而言，就是一個凈向下的電流。定量的計算結果是：

$j=frac{e^{2}}{2pi^{2}}mu_{5}B$ ，

其中 $mu_{5}$ 是反應左右手粒子不對稱的一個量，叫做「手征化學勢」。

這個效應就叫做 手征磁效應（Chiral Magnetic Effect，CME），這個條件能夠在LHC，RHIC等對撞機上的重離子對撞實驗中產生，也就是產生夸克膠子等離子體（Quark-Gluon Plasma，QGP），這個過程中滿足高溫高壓強磁場的條件，所以能很好的檢測這個效應。實際上，這個效應也是宏觀量子效應的一種，同時也是檢測QCD等理論的重要實驗，這些年來也是高能物理前沿研究的熱點。

不是我的方向，來強答一下。。。

低溫的時候，物質接近基態，熱擾動帶來的退相干很小，各種奇怪的量子效應都能出來。但凡你想觀察奇怪的量子性質，就得把它弄到低溫。

加上強磁場可以打破時間反演對稱，又一批奇怪的性質會激發出來。

常見的，玻色子構成的物質，比如說氦4，低溫全變成基態，然後就玻色愛因斯坦凝聚了，變成超流態。黏度為0。

二維電子氣體超低溫＋強磁場情況下會出現分數量子霍爾效應。裡面會激發出anyon，滿足分數統計。分數統計就是說，你把一個粒子繞著另一個粒子轉一圈，他倆之間關係就變了，就出現相對相位了。

特別的，對於5/2這種分數霍爾態，它的分數統計似乎是non-abelian的，也就是說你拿著一個anyon繞著另一個anyon轉一圈，這倆anyon都變的面目全非了，不只是改了個相位，而是整個體系的量子態都變了。。人們覺得這玩意可以拿來造拓撲量子計算機。

謝邀。

說一些自己研究或者接觸過的：

高壓：1. H可以形成固態金屬氫，變成常規超導，這是很久之前的理論預測（1935，Wigner-Huntington）。年初由Harvard的團隊實驗證實，實驗壓力是495Gpa (裡面也有很大的爭議)。文章：Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen 上面提到的硫化氫也是類似的，上世紀60-70年代ashcroft預言這類體系可能具有很高的超導轉變溫度，常規的BCS理論也能很好的解釋，這種輕元素可以對聲子調製來增強電聲耦合，從而提高超導轉變溫度, 從Eliashberg-McMillan equation方程也能直接能看出來。2. 高壓下惰性氣體如He也可以成鍵。3. 地球內部的材料也是處於高壓環境，其組成至今還不是很清楚。

低溫：凝聚態物理裡面各種奇異現象基本集中在這裡,尤其拓撲相關的性質, 其拓撲起源來自於Berry curvature. 如各種霍爾效應：量子霍爾效應(1980)，量子自旋霍爾效應(2007)，量子反常霍爾效應(2013)，還有整數和分數之分。還有Kondo effect等強關聯現象。