原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 18 May 2020; 

online 30 May 2020

本文预言了首个模拟费米子霍金辐射的真实系统——激光场辐照的黑磷，它呈现出迄今为止最高且实验可测的辐射温度，这为观测霍金辐射和研究凝聚态物质中的类天体物理现象提供了新的平台。

刘锋教授应邀为这项工作作了视频讲解：

http://as.iphy.ac.cn/video_detail.php?id=27429

霍金辐射是黑洞因量子涨落向外辐射粒子的现象。它是理解量子力学与广义相对论间联系的关键，但极低的霍金温度使其尚未被实验证实。为了提高霍金温度，人们提出可以利用流体等各种人工系统模拟黑洞及其辐射。然而，目前为止，玻色爱因斯坦凝聚体中的声学黑洞的nK量级的霍金温度依然很难被实验观测，光纤中的光学黑洞也备受争议。与此不同的是，因固体里的静电力强于引力几个数量级，由狄拉克半金属中模拟的费米性黑洞应具有较高的霍金温度。但是，因缺乏可控的狄拉克费米子体系，此类费米子的霍金辐射的物理机制和材料实现仍是未解决的问题。

中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室的孟胜研究员、刘行博士，与北京理工大学孙家涛教授、美国犹他大学刘锋教授合作，利用第一性原理计算和量子隧穿模型分析，预言了首个模拟费米子霍金辐射的真实系统，即激光场辐照下的黑磷。这个系统呈现出迄今最高且实验可测的霍金温度。通过辐照特定的空间非均匀激光场（图1a），二维黑磷呈现出在空间上连续分布的第二、第三、第一类狄拉克电子态，三类费米子的有效引力势分别与史瓦西黑洞内、边缘、外的一致，因此可用狄拉克费米子模拟黑洞行为。量子效应使电子从第二类狄拉克区域向第一类狄拉克区域隧穿，形成了与史瓦西黑洞辐射同样的普朗克辐射谱（图1b）。

更重要的是，光辐照的双层黑磷中的黑洞呈现出3 K的超高霍金温度。这远高于引力黑洞及其它人工玻色黑洞的辐射温度，表明此理论方案可以在当前实验室中实现。光照黑磷中的超高温费米黑洞辐射的理论预言为实验观测霍金辐射奠定了基础，也为研究凝聚态物质中的类天体物理现象提供了新的平台和手段。

图1. 双层黑磷中的费米子史瓦西“黑洞”所需的光场分布（上）及霍金辐射谱（下）。

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