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為什么只有在非常特殊的條件下，玻色-愛因斯坦凝聚才會(huì)出現(xiàn)？

2020-02-25 09:14 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的宏觀量子相，只有在非常特殊的條件下才會(huì)出現(xiàn)。了解更多關(guān)于物質(zhì)的這些階段，可以幫助科學(xué)家更好地理解基本的量子行為，并可能對(duì)未來(lái)的量子技術(shù)做出貢獻(xiàn)。

這就是為什么來(lái)自科羅拉多州立大學(xué)的科學(xué)家Kate Ross和博士候選人Gavin Hester，來(lái)到能源部的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)探索一種名為硅酸鐿的材料。硅酸鐿是唯一一種基于稀土元素的磁性材料、

硅酸鐿顯示出玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的證據(jù)，這可能是理解其他基于稀土元素的磁體中量子現(xiàn)象的關(guān)鍵。通過(guò)探測(cè)帶有中子的硅酸鐿樣品，研究人員希望生成這種獨(dú)特玻色-愛因斯坦凝聚體的詳細(xì)圖，然后利用該圖通過(guò)識(shí)別其他磁性材料中的奇異量子態(tài)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。如果能更好地理解在這種材料中看到的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，那么就有可能利用這些知識(shí)在其他基于稀土元素的磁性材料中，發(fā)現(xiàn)類似的多體量子態(tài)。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，也被稱為BEC相，是一種量子流體，其中粒子的行為不再像單個(gè)實(shí)體一樣，而是像波一樣在單一、統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中相互同步地移動(dòng)，不同于任何固體、液體、氣體或等離子體，只有在接近絕對(duì)零度或0K(約-460°F)的溫度下才會(huì)出現(xiàn)。關(guān)于這種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài)，科學(xué)家們?nèi)杂泻芏嘈枰私?，但有希望它的?dú)特性質(zhì)有朝一日能為先進(jìn)材料做出貢獻(xiàn)。玻色-愛因斯坦凝聚體和當(dāng)前量子技術(shù)提議之間沒有直接的聯(lián)系。

但是關(guān)于這種材料的行為，也有很多需要了解的，而回答一些關(guān)于量子現(xiàn)象基本問(wèn)題將是未來(lái)科學(xué)成就的基礎(chǔ)。首先，科學(xué)家一直認(rèn)為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)不會(huì)出現(xiàn)在基于稀土元素的磁性材料中，因?yàn)槟切┨厥獯畔嗷プ饔盟坪醪粔蚋飨蛲?，不足以出現(xiàn)BEC相。但是，在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中觀察到硅酸鐿中存在BEC相的證據(jù)后，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)岩蛇@個(gè)假設(shè)可能是錯(cuò)誤的。當(dāng)看到BEC相的證據(jù)時(shí)，研究人員很驚訝，這表明Yb是形成多體量子態(tài)的一種，比我們之前認(rèn)為更多用途的成分。

為了更好地了解硅酸鐿承載BEC相的能力，Ross在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源(SNS)使用了冷中子斬波器光譜儀(CNCS)，在高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)使用了固定入射能量三軸光譜儀(FIE-TAX)來(lái)探測(cè)硅酸鐿的結(jié)晶樣品?；パa(bǔ)X射線和中子散射測(cè)量是在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了近4年，研究小組早在2015年就開始種植硅酸鐿的樣品，并繪制出這種材料的行為。研究使用了科羅拉多州立大學(xué)和加拿大舍布魯克大學(xué)的各種探測(cè)器。

利用這些探測(cè)器來(lái)初步了解材料的行為，但更渴望使用中子散射來(lái)探測(cè)樣品。中子具有很強(qiáng)的穿透性，當(dāng)中子通過(guò)樣品時(shí)，會(huì)以這樣一種方式攪動(dòng)這些新興的量子粒子，這樣就可以準(zhǔn)確地測(cè)量這些粒子在硅酸鐿微觀結(jié)構(gòu)中的行為。為了準(zhǔn)備中子散射的樣品，研究人員必須切割并排列每一顆晶體，使每一顆晶體都指向相同的方向。此外必須將硅酸鐿樣品暴露在磁場(chǎng)中，并使用特殊的冷卻室將樣品降至-459.28°F，這比星際空間更冷，而且非常接近絕對(duì)零度的溫度。

把這個(gè)實(shí)驗(yàn)放在一起需要做很多工作，但獲得的數(shù)據(jù)絕對(duì)值得研究團(tuán)隊(duì)付出的努力。研究不僅能闡明硅酸鐿BEC相是如何獨(dú)一無(wú)二的，而且還能讓研究人員更好地理解量子現(xiàn)象，就像它們出現(xiàn)在其他基于稀土元素的磁性材料中一樣。研究人員有興趣更多地了解硅酸鐿中的BEC相，但更希望我們?cè)谶@里學(xué)到的東西，也能幫助在稀土材料中發(fā)現(xiàn)更多量子態(tài)，這種基本理解對(duì)于形成未來(lái)量子技術(shù)的材料平臺(tái)至關(guān)重要。