當(dāng)你把一盤水放入冰箱時(shí)，會(huì)逐漸凍結(jié)成冰塊。現(xiàn)在，科羅拉多大學(xué)博爾德分校和多倫多大學(xué)的科學(xué)家利用超冷原子云實(shí)現(xiàn)了類似的轉(zhuǎn)變。

在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項(xiàng)研究中，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以推動(dòng)這些量子材料在“動(dòng)力學(xué)階段”之間發(fā)生轉(zhuǎn)變——本質(zhì)上是在原子行為方式完全不同的兩種狀態(tài)之間跳躍。該研究的合著者安娜·瑪麗亞·雷伊說：這種現(xiàn)象發(fā)生得很突然，就像在水變成冰的相變。

但與冰箱里的那盤冰塊不同，這些相并不處于平衡狀態(tài)。相反，隨著時(shí)間的推移，原子在不斷地變化和發(fā)展化。這些發(fā)現(xiàn)為我們提供了一扇新的窗口，讓我們了解到在實(shí)驗(yàn)室里難以研究的材料。例如，如果想設(shè)計(jì)一個(gè)量子通信系統(tǒng)，把信號(hào)從一個(gè)地方發(fā)送到另一個(gè)地方，一切都會(huì)失去平衡，如果想把我們所知道的應(yīng)用到量子技術(shù)中，這種動(dòng)力學(xué)將是需要理解的關(guān)鍵問題?？茖W(xué)家們以前在超冷原子中也觀察到類似轉(zhuǎn)變，但只是在幾十個(gè)帶電原子或離子中。

相比之下，現(xiàn)在將研究對(duì)象轉(zhuǎn)向了由數(shù)萬個(gè)不帶電或中性費(fèi)米電子原子組成的云。費(fèi)米原子是元素周期表中“內(nèi)向”的元素，它們不愿意與其他原子共享空間，這使得它們?cè)诶湓訉?shí)驗(yàn)室更難控制。研究報(bào)告的合著者、多倫多大學(xué)(University of Toronto)物理學(xué)教授約瑟夫·蒂威森(Joseph Thywissen)說：我們真的是在一個(gè)新領(lǐng)域里徘徊，不知道會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。為了探索這一新領(lǐng)域，研究人員利用了中性原子之間確實(shí)存在的弱相互作用——但只有當(dāng)這些原子在有限的空間內(nèi)相互碰撞時(shí)才會(huì)發(fā)生。

首先，Thywissen和研究團(tuán)隊(duì)將一種由中性鉀原子組成的氣體冷卻到絕對(duì)零度以上幾度。接下來，調(diào)整原子，使它們的“自旋”都指向同一個(gè)方向。這種自旋是所有原子的自然屬性，有點(diǎn)像地球磁場。一旦所有原子都排好隊(duì)，研究小組就會(huì)對(duì)它們進(jìn)行微調(diào)，以改變它們相互作用的強(qiáng)度，這就是有趣的地方。用一種磁場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，原子以一種方式跳舞，后來又用不同的磁場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，原子以完全不同的方式跳舞。在最初的舞蹈中（或者當(dāng)原子幾乎沒有相互作用時(shí)）這些粒子陷入混亂。

原子自旋開始以它們自己的速度旋轉(zhuǎn)，并迅速地指向不同的方向。想象一下，你站在一個(gè)房間里，里面有成千上萬個(gè)時(shí)鐘，秒針都以不同的速度滴答作響。但這只是故事的一部分。當(dāng)這個(gè)群體增強(qiáng)了原子間相互作用的強(qiáng)度時(shí)，他們就不再表現(xiàn)得像無序的個(gè)體，而更像是一個(gè)集體。換句話說，它們的旋轉(zhuǎn)仍然滴答作響，但滴答是同步的?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校(CU Boulder)物理學(xué)研究生、新論文的主要作者之一何佩茹(Peiru He)說：在這個(gè)同步階段，原子不再獨(dú)立。

它們彼此感覺到了對(duì)方，這種互動(dòng)將促使他們彼此結(jié)盟。通過正確的調(diào)整，研究小組還發(fā)現(xiàn)，它還可以做其他事情：調(diào)回時(shí)間，使同步和無序的階段都恢復(fù)到初始狀態(tài)。最后，研究人員只能維持這兩種不同的物質(zhì)動(dòng)力學(xué)階段約0.2秒。如果能延長這段時(shí)間，或許能進(jìn)行更有趣的觀察。為了看到更豐富的物理學(xué)，繼續(xù)更深入的研究，可能需要等待更長時(shí)間。

博科園｜研究/來自：科羅拉多大學(xué)博爾德分校

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax1568

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