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物質(zhì)波和量子碎片：長達188年的“法拉第波”之謎終于被驗證！

2019-06-12 15:34 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

美國、奧地利和巴西的物理學(xué)家已經(jīng)證明，根據(jù)振動頻率的不同，振動產(chǎn)生的超冷玻色-愛因斯坦凝聚體(BECs)要么分裂成均勻的部分，要么分裂成不可預(yù)測的碎片。萊斯大學(xué)(Rice University)物理學(xué)家蘭迪·休萊特(Randy Hulet)說：

同樣的量子系統(tǒng)可以產(chǎn)生如此不同的現(xiàn)象，這是很了不起的。這些狀態(tài)之間的關(guān)系可以讓我們知道很多關(guān)于復(fù)雜量子多體現(xiàn)象的知識。這項研究是與奧地利維也納理工大學(xué)(TU Wien)和巴西圣保羅大學(xué)的物理學(xué)家合作進行。這些實驗印證了邁克爾?法拉第(Michael Faraday)?1831年的一項發(fā)現(xiàn)。

博科園-科學(xué)科普：法拉第發(fā)現(xiàn)，在以特定臨界頻率垂直振動的桶中，液體表面會產(chǎn)生波紋。這種模式被稱為法拉第波，類似于鼓首和振動板上產(chǎn)生的共振模式。為了研究法拉第波，研究小組將BECs限制在一維線性波導(dǎo)中，得到了雪茄形狀的BEC。然后，研究人員利用一個微弱、緩慢振蕩的磁場來振動BECs，以調(diào)節(jié)一維波導(dǎo)中原子間相互作用的強度。當調(diào)制頻率在共模共振附近調(diào)諧時，法拉第模式就出現(xiàn)了。但研究小組也注意到了一些意想不到的現(xiàn)象：當調(diào)制強度很大且頻率遠低于法拉第共振時，BEC就會分裂成不同大小的“顆?！?。

（圖示）萊斯大學(xué)物理學(xué)家和奧地利和巴西的同事們已經(jīng)證明，振動超冷玻色-愛因斯坦凝聚體(頂部)可以使它們要么分裂成法拉第波(中心)特征的均勻段，要么分裂成不可預(yù)測的碎片(底部)，震動的頻率和振幅決定了結(jié)果。圖片：Gustavo Telles/University of S?o Paulo at S?o Carlos and Jason Nguyen/Rice University

研究科學(xué)家Jason Nguyen是這項研究的主要作者之一，他發(fā)現(xiàn)水稻的顆粒大小分布很廣，而且持續(xù)的時間甚至比調(diào)制時間還要長。維也納大學(xué)和沃爾夫?qū)づ堇芯克?Wolfgang Pauli Institute)，也是研究報告的合著者阿克塞爾·羅德(Axel Lode)說：造粒通常是一個隨機過程，可以在固體中觀察到，比如打碎玻璃，或者把石頭磨成不同大小的顆粒。在每個法拉第波實驗中，BEC量子態(tài)圖像都是相同的。但在造粒實驗中，盡管實驗是在相同的條件下進行，但每次照片看起來都完全不同。

造粒實驗的變化源于量子關(guān)系——量子粒子之間復(fù)雜的關(guān)系，很難用數(shù)學(xué)方法描述。對觀測結(jié)果的理論描述被證明是具有挑戰(zhàn)性，因為標準方法無法重現(xiàn)觀測結(jié)果，特別是顆粒大小的廣泛分布。團隊用一種復(fù)雜的理論方法解釋了實驗結(jié)果，并在軟件中實現(xiàn)了該方法。軟件可以解釋典型理論無法解釋的量子漲落和相關(guān)性。Hulet是Rice的Fayez Sarofim物理學(xué)和天文學(xué)教授，同時也是Rice量子材料中心(RCQM)的成員表示：這個結(jié)果對于研究量子流體中的湍流有著重要意義，這是一個物理學(xué)中尚未解決的問題。