MIT 物理学家观察到超冷原子形成的“量子龙卷风”

集智俱乐部 2022-01-15 21:48


导语


最近,麻省理工学院(MIT)的物理学家观察到了原子中从经典到量子行为的转变。在超冷原子组成的旋转流体中,经典效应被抑制,原子间的相互作用和量子力学效应占主导,驱动粒子表现出奇异的量子行为,形成一串微型“量子龙卷风”。相关成果1月5日发表在《自然》杂志上。


研究领域:量子效应,自组织,涌现

Jennifer Chu | 作者

黄泽豪 | 译者

梁金 | 审校

邓一雪 | 编辑






1. 从经典走向量子世界





我们所感受到的世界是受经典物理学支配的。我们如何移动,我们在哪里,以及我们前进的速度,都取决于一个经典的假设,即我们在任何一个时刻只能存在于一个地方。但在量子世界,单个原子的行为受一个怪异的原理支配:粒子位置是一个概率事件。例如,一个原子在同一时间有一定可能性在某个位置,也有一定可能性在另一位置。
 
由于这些量子效应,当粒子相互作用时,许多奇异的现象随之而来。但是,在经典世界的巨大噪音中,相互作用粒子的纯量子力学行为会被淹没,很难实际观察到。不过,将原子冷却到接近绝对零度的极端低温时,单个原子嘈杂的运动会逐渐停止,转而表现得像是一个整体,形成宏观可见的量子现象。
 
最近,麻省理工学院(MIT)的物理学家在由超冷原子组成的旋转流体中,直接观察到了从经典到量子行为的转变。研究人员让由超冷原子组成的量子流体快速旋转。他们观察到最初为圆形的原子云首先变形为薄的针状结构。然后,当经典效应被抑制,仅留下相互作用和量子定律主导原子的行为时,针状结构自发地破裂成一种晶体模式,就像是一串微型量子龙卷风。
 
MIT物理学助理教授 Richard Fletcher 介绍说,这个结晶过程纯粹是由相互作用驱动的,它标志着我们从经典世界走向量子世界。
 
 



2. 极端低温下,相互作用显现




在20世纪80年代,物理学家们开始观察一种称为量子霍尔流体的新物质,它由漂浮在磁场中的电子云组成。这些粒子没有像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体,而是以一种相互关联的量子方式,根据近邻粒子来调整自身的行为。 
 
Fletcher 解释说,“人们发现了各种惊人的特性。形成这些特性的原因是,在磁场中,电子被(经典地)冻结在原地——它们所有的动能消失,只剩下纯粹的相互作用。于是,这整个世界出现了,但它非常难以观察和理解。”特别是,磁场中的电子以非常小的运动移动,很难看到。
 
Zwierlein 和同事们推断,由于原子在旋转下的运动发生在更大尺度上,或许可以用超冷原子作为电子的替代品,并观察到相同的物理现象。他们让冷原子表现得像是磁场中的电子一样,但可以精确控制,然后就可以可视化单个原子的行为,看看它们是否遵循相同的量子力学规律。
 

将一团原子冷却到极端低温时,单个原子嘈杂的运动会逐渐停止,转而表现得像是一个整体,形成奇异的物质状态。| 来源:Jose-Luis Olivares/MIT


 



3. 旋转产生“量子龙卷风”




在新研究中,物理学家使用激光捕获了大约100万个钠原子,并将这些原子冷却到大约100纳开尔文的极端低温。然后,他们使用电磁体系统产生势阱来约束原子,以每秒约100转的速度整体旋转原子,就像碗中旋转的弹珠一样。
 
研究人员使用相机捕捉这团原子的图像。大约100毫秒后,他们观察到原子旋转成一个长长的针状结构,厚度达到临界量子尺度。Zwierlein 说,“经典流体,比如香烟烟雾,只会变得越来越稀薄。但在量子世界中,流体的稀薄程度会达到一个极限。”当流体达到这个极限时,就有充分理由认为,我们正在敲开有趣的量子物理学的大门。
 
在纯粹的旋转和相互作用的影响下,这种针状流体会有什么行为呢?研究人员发现,随着流体继续旋转,他们观察到量子不稳定性开始出现:针开始摇摆,然后变成螺旋状,最后破裂成一串旋转的斑点,或微型龙卷风——纯粹由气体旋转和原子之间的相互作用产生的一种量子晶体。
 

就像地球上天气模式的形成一样,量子粒子的旋转流体可以破裂成由旋转的龙卷风状结构形成的晶体。 | 来自论文

 
这一结果是对快速旋转的量子气体演化的首次直接的原位记录。MIT 物理学教授 Martin Zwierlein 说,旋转原子的演化与地球自转形成大规模天气模式的方式大致相似。 “解释地球自转效应的科里奥利效应,与解释带电粒子在磁场中行为的洛伦兹力类似。即使在经典物理学中,这也会引起有趣的模式形成,比如云朵以美丽的螺旋运动环绕着地球。而现在,我们可以在量子世界中研究这个问题了。”
 
研究人员将这个演化过程和蝴蝶效应联系了起来——亚马逊雨林里的一只蝴蝶扇动翅膀,引发湍流的不稳定性,最终在遥远的美国制造出一场风暴。Zwierlein 解释说,“在原子中,我们有量子天气:流体仅仅由于量子不稳定性,碎裂成由更小的云和涡旋组成的晶体结构。能够直接看到这些量子效应是一个重要突破。”
 
参考链接:

[1] https://news.mit.edu/2022/ultracold-atoms-quantum-0105

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

  

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