物理學(xué)家觀察超冷原子形成量子龍卷風(fēng)晶體

科技領(lǐng)航人

發(fā)布時(shí)間: 2022-01-06 11:37

優(yōu)質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者

我們所經(jīng)歷的世界是由經(jīng)典物理學(xué)支配的。我們?nèi)绾我苿?dòng)、我們?cè)谀睦镆约拔覀兦斑M(jìn)的速度都是由經(jīng)典假設(shè)決定的，即我們只能在任何時(shí)刻存在于一個(gè)地方。

圖注：就像地球上天氣模式的形成一樣，在這里，量子粒子的旋轉(zhuǎn)流體分解成由旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)狀結(jié)構(gòu)形成的晶體。

但在量子世界中，單個(gè)原子的行為受一個(gè)怪異的原理支配，即粒子的位置是概率。例如，在同一時(shí)間，一個(gè)原子有一定的機(jī)會(huì)在一個(gè)位置，另一個(gè)機(jī)會(huì)在另一個(gè)位置。

當(dāng)粒子相互作用時(shí)，純粹是由于這些量子效應(yīng)的結(jié)果，就會(huì)出現(xiàn)一系列奇怪的現(xiàn)象。但是在經(jīng)典世界的壓倒性噪音中觀察相互作用粒子的這種純量子力學(xué)行為是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家已經(jīng)直接觀察到了特定物質(zhì)狀態(tài)下相互作用和量子力學(xué)的相互作用：超冷原子的旋轉(zhuǎn)流體。研究人員預(yù)測(cè)，在旋轉(zhuǎn)流體中，相互作用將占主導(dǎo)地位，并驅(qū)使粒子表現(xiàn)出奇特的、前所未見的行為。

在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)快速旋轉(zhuǎn)了一種超冷原子的量子流體。他們看著最初的圓形原子云首先變形為細(xì)長(zhǎng)的針狀結(jié)構(gòu)。然后，當(dāng)經(jīng)典效應(yīng)應(yīng)該被抑制，只留下相互作用和量子定律來支配原子的行為時(shí)，針自發(fā)地變成了一種晶體模式，類似于一串微型量子龍卷風(fēng)。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授理查德弗萊徹說：“這種結(jié)晶純粹是由相互作用驅(qū)動(dòng)的，它告訴我們我們正在從經(jīng)典世界進(jìn)入量子世界?！?/p>

結(jié)果是快速旋轉(zhuǎn)的量子氣體演化的第一個(gè)直接原位記錄。麻省理工學(xué)院 Thomas A. Frank 物理學(xué)教授馬丁·茨維爾萊茵（Martin Zwierlein）表示，自旋原子的演化與地球自轉(zhuǎn)如何產(chǎn)生大規(guī)模天氣模式大致相似。

“解釋地球旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的科里奧利效應(yīng)類似于解釋帶電粒子在磁場(chǎng)中的行為的洛倫茲力，”茨維爾萊因指出，“即使在經(jīng)典物理學(xué)中，這也會(huì)產(chǎn)生有趣的模式形成，就像云層以美麗的螺旋運(yùn)動(dòng)環(huán)繞地球一樣?，F(xiàn)在我們可以在量子世界中研究這一點(diǎn)。”

該研究的合著者包括 Biswaroop Mukherjee、Airlia Shaffer、Parth B. Patel、Zhenjie Yan、Cedric Wilson 和 Valentin Crépel，他們都隸屬于麻省理工學(xué)院-哈佛超冷原子中心和麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室。

旋轉(zhuǎn)替身

在20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家開始觀察稱為量子霍爾流體的新物質(zhì)家族，它由漂浮在磁場(chǎng)中的電子云組成。正如經(jīng)典物理學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣，這些粒子并沒有相互排斥并形成晶體，而是以一種相關(guān)的量子方式將它們的行為調(diào)整為它們的鄰居正在做的事情。

“人們發(fā)現(xiàn)了各種驚人的特性，原因是，在磁場(chǎng)中，電子（通常）被凍結(jié)在原地——它們的所有動(dòng)能都被關(guān)閉了，剩下的就是純粹的相互作用，”弗萊徹說，“所以，整個(gè)世界都出現(xiàn)了，但觀察和理解是非常困難的?！?/p>

特別是，磁場(chǎng)中的電子以很難看到的非常小的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。茨維爾萊茵和他的同事們推斷，由于旋轉(zhuǎn)中原子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在更大的長(zhǎng)度尺度上，他們可能能夠使用超冷原子作為電子的替代品，并且能夠觀察到相同的物理現(xiàn)象。

“我們想，讓這些冷原子表現(xiàn)得好像它們是磁場(chǎng)中的電子一樣，但我們可以精確控制，”茨維爾萊茵說，“然后我們可以想象單個(gè)原子在做什么，看看它們是否遵循相同的量子力學(xué)物理學(xué)?！?/p>

旋轉(zhuǎn)木馬中的天氣

在他們的新研究中，物理學(xué)家使用激光捕獲了大約100萬個(gè)鈉原子的云，并將這些原子冷卻到大約100納開爾文的溫度。然后，他們使用電磁鐵系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)陷阱來限制原子，并以每秒約100轉(zhuǎn)的速度共同旋轉(zhuǎn)原子，就像碗中的彈珠一樣。

該團(tuán)隊(duì)用相機(jī)對(duì)云進(jìn)行了成像，捕捉到了一個(gè)類似于兒童在游樂場(chǎng)旋轉(zhuǎn)木馬上面向中心時(shí)的視角。大約100 毫秒后，研究人員觀察到原子旋轉(zhuǎn)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的針狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到臨界的量子薄度。

“在經(jīng)典流體中，比如香煙煙霧，它只會(huì)變得越來越稀薄，”茨維爾萊茵說， “但在量子世界中，流體達(dá)到了它可以變薄的極限?！?/p>

“當(dāng)我們看到它已經(jīng)達(dá)到這個(gè)極限時(shí)，我們有充分的理由認(rèn)為我們正在敲開有趣的量子物理學(xué)的大門，”弗萊徹補(bǔ)充道，他與 茨維爾萊茵一起在之前的一篇科學(xué)論文中發(fā)表了迄今為止的結(jié)果?！澳敲磫栴}是，在純粹的旋轉(zhuǎn)和相互作用的影響下，這種針狀薄的液體會(huì)做什么？”

在他們的新論文中，該團(tuán)隊(duì)將他們的實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步，以了解針狀流體將如何演變。隨著流體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，他們觀察到一種量子不穩(wěn)定性開始出現(xiàn)：針開始搖晃，然后開瓶器，最后破成一串旋轉(zhuǎn)的斑點(diǎn)，或微型龍卷風(fēng)——一種量子晶體，純粹由氣體的旋轉(zhuǎn)和原子之間的力。

“這種演變與一個(gè)想法有關(guān)，即中國的蝴蝶如何在這里造成風(fēng)暴，因?yàn)椴环€(wěn)定引發(fā)了湍流，”茨維爾萊茵解釋道，“在這里，我們有量子天氣：流體，只是因?yàn)樗牧孔硬环€(wěn)定性，分裂成這種由較小的云和漩渦組成的晶體結(jié)構(gòu)，能夠直接看到這些量子效應(yīng)是一個(gè)突破?！?/p>