美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的物理學(xué)家已直接觀(guān)察到一種由超冷原子形成的“量子龍卷風(fēng)”晶體。

該研究論文發(fā)布在1月5日的《自然》(Nature)雜志上。

據(jù)報(bào)道，人們感知的世界是經(jīng)典物理學(xué)所能解釋的。人們所在的位置、移動(dòng)的方式和速度都是確定、唯一的。

但在微觀(guān)的量子世界中，粒子的位置是個(gè)概率問(wèn)題。例如，一個(gè)原子在同一時(shí)間有一定概率出現(xiàn)在一個(gè)位置，也有一定概率出現(xiàn)在另一個(gè)位置，同一原子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)甚至多個(gè)地方。

當(dāng)粒子純粹作為量子效應(yīng)的結(jié)果而相互作用時(shí)，一系列奇怪的現(xiàn)象就會(huì)隨之而來(lái)。但在經(jīng)典物理主導(dǎo)的宏觀(guān)世界中觀(guān)察粒子相互作用的這種純量子力學(xué)行為是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在特定物質(zhì)狀態(tài)下相互作用和量子力學(xué)的相互作用，會(huì)產(chǎn)生一種由超冷原子組成的自旋量子流體。研究人員預(yù)測(cè)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的流體中，相互作用將主導(dǎo)并驅(qū)動(dòng)粒子表現(xiàn)出奇特的、從所未有的行為。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)迅速旋轉(zhuǎn)一種由超冷原子組成的量子流體。他們觀(guān)察到最初的圓形原子云首先變成細(xì)長(zhǎng)的針狀結(jié)構(gòu)。然后，當(dāng)經(jīng)典效應(yīng)被抑制，讓相互作用和量子定律主導(dǎo)原子的行為時(shí)，針狀結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)地形成一個(gè)晶體圖案，就像一串微型的“量子龍卷風(fēng)”。

研究的由來(lái)

在20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家開(kāi)始觀(guān)察一種被稱(chēng)為量子霍爾液體的新物質(zhì)家族，它由漂浮在磁場(chǎng)中的電子云組成。這些粒子并沒(méi)有像經(jīng)典物理學(xué)預(yù)測(cè)的那樣相互排斥并形成晶體，而是以一種相關(guān)的量子方式，根據(jù)它們周?chē)Ｗ拥男袨閬?lái)調(diào)整自己的行為。

“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——它們所有的動(dòng)能都被關(guān)閉了，只剩下純粹的相互作用?！甭槭±砉W(xué)院物理學(xué)助教理查德·弗萊徹(Richard Fletcher)說(shuō)。

特別是在磁場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)非常小，很難觀(guān)察到。麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授馬丁·茨維爾萊因(Martin Zwierlein)和他的同事推斷，由于原子在旋轉(zhuǎn)下的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在更大的距離和尺度上，因此使用超冷原子作為電子的替身，可能會(huì)觀(guān)察到相同的物理現(xiàn)象?！拔覀兿?，讓這些冷原子表現(xiàn)得像磁場(chǎng)中的電子，但可以精確地控制它們。然后我們就可以想象單個(gè)原子在做什么，并看看它們是否遵循相同的量子力學(xué)原理?！?/p>

已有的成果

首先，該團(tuán)隊(duì)用激光捕獲了大約100萬(wàn)個(gè)鈉原子，并將原子冷卻到大約100納開(kāi)爾文的溫度。然后使用電磁鐵系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)陷阱，以限制原子，并像碗里的彈珠一樣以大約每秒100轉(zhuǎn)的速度集體旋轉(zhuǎn)原子。

團(tuán)隊(duì)用照相機(jī)拍攝了這朵圓形的原子云，捕捉視角類(lèi)似于兒童在游樂(lè)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)木馬上面朝中心。大約100毫秒后，研究人員觀(guān)察到原子旋轉(zhuǎn)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的針狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到了臨界的量子厚度。

“在傳統(tǒng)的流體中，比如香煙煙霧，它會(huì)不斷變薄。但在量子世界中，流體的厚度達(dá)到了極限?！贝木S爾萊因說(shuō)。他和助教弗萊徹在之前《科學(xué)》雜志的一篇論文中發(fā)表了到這一階段的研究成果。

“當(dāng)我們看到它達(dá)到了這個(gè)極限時(shí)，我們有充分的理由認(rèn)為，我們正在敲開(kāi)有趣的量子物理學(xué)的大門(mén)?！备トR徹說(shuō)， “接下來(lái)的問(wèn)題是，這種針狀的流體在純粹的旋轉(zhuǎn)和相互作用的影響下會(huì)發(fā)生什么?”

“量子龍卷風(fēng)”出現(xiàn)

在1月5日發(fā)表的新論文中，該團(tuán)隊(duì)將他們的實(shí)驗(yàn)向前推進(jìn)了關(guān)鍵一步，看針狀流體是如何演變的。他們觀(guān)察到量子的不穩(wěn)定性開(kāi)始發(fā)揮作用：針狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)搖，然后螺旋式旋轉(zhuǎn)，最后爆發(fā)成一串旋轉(zhuǎn)的斑點(diǎn)，似一個(gè)微型龍卷風(fēng)——這是一種量子晶體，由純粹的氣體旋轉(zhuǎn)的相互作用，以及原子之間的相互作用形成。

“這種進(jìn)化與蝴蝶效應(yīng)有關(guān)，因?yàn)椴环€(wěn)定會(huì)引發(fā)湍流。在這里，我們有量子天氣：流體僅因它的量子不穩(wěn)定性，分裂成更小的云和漩渦狀的晶體結(jié)構(gòu)。能夠直接看到這些量子效應(yīng)就是一個(gè)突破?！贝木S爾萊因說(shuō)道，“解釋地球旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的科里奧利效應(yīng)類(lèi)似于解釋帶電粒子在磁場(chǎng)中行為的洛倫茲力。即使在經(jīng)典物理學(xué)中，這也會(huì)產(chǎn)生有趣的圖案，就像云以美麗的螺旋運(yùn)動(dòng)環(huán)繞著地球。現(xiàn)在我們可以在量子世界中研究這一現(xiàn)象?！?img alt="" style="width:600px;" loading="lazy" data-src="https://imagecloud.thepaper.cn/thepaper/image/173/888/893.jpeg" src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///ywAAAAAAQABAAACAUwAOw==" data-imageid="173888893">“這種結(jié)晶過(guò)程純粹是由相互作用驅(qū)動(dòng)的，它告訴我們，我們正從經(jīng)典世界進(jìn)入量子世界。”弗萊徹說(shuō)。

這項(xiàng)研究結(jié)果是第一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的量子氣體演化的直接和原位記錄。該研究的共同作者包括Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric Wilson和Valentin Crépel，均隸屬于麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)超冷原子中心和麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室。