量子物質突破:研究人員發現獨特的量子行為
洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究人員發現了一種新方法,可以在原子氣體中產生一種名為”密度波”的晶體結構。這一突破可以幫助我們更好地理解量子物質的行為,這是物理學中最複雜的問題之一。
一個科學家小組將冷原子氣體的操縱潛力提高了一倍,創造出了一種新型物質。這一突破可以通過激發特製氣體中的”密度波”來推動量子技術的發展。密度波插圖。由Harald Ritsch 繪製。資料來源:因斯布魯克大學/EPFL
過去,冷原子氣體因能夠”編程”原子之間的相互作用而聞名於世,洛桑聯邦理工學院的讓-菲利普-布蘭特教授(Jean-Philippe Brantut)說。”我們的實驗讓這種能力翻了一番!”
他們與因斯布魯克大學的赫爾穆特-里奇(Helmut Ritsch)教授小組合作,取得了一項突破性進展,這不僅會影響量子研究,還會影響未來的量子技術。
長期以來,科學家們一直對了解材料如何自組織成晶體等複雜結構感興趣。在量子物理學這個常常令人費解的世界裡,粒子的這種自組織表現為”密度波”,即粒子排列成一種有規律的、重複的模式或”秩序”;就像一群穿著不同顏色襯衫的人站成一排,但沒有兩個穿著相同顏色襯衫的人站在一起。
在金屬、絕緣體和超導體等多種材料中都能觀察到密度波。然而,對它們的研究一直很困難,尤其是當這種秩序(波中粒子的模式)與其他類型的組織(如超流體–一種允許粒子無阻力流動的特性)同時出現時。
值得注意的是,超流動性並不僅僅是一種理論上的好奇心;它對於開發具有獨特性質的材料(例如高溫超導性,它可以帶來更高效的能量傳輸和存儲)或建造量子計算機具有巨大的意義。
為了探索這種相互作用,布蘭特和他的同事們創造了一種”單元費米氣體”,這是一種由冷卻到極低溫度的鋰原子組成的稀薄氣體,其中的原子經常相互碰撞。
然後,研究人員將這種氣體置於光腔中,光腔是一種用於將光線長時間限制在狹小空間內的裝置。光腔由兩面反射鏡組成,能將射入的光線在兩面反射鏡之間來回反射數千次,從而使光粒子(光子)在光腔內積聚。
在這項研究中,研究人員利用空腔使費米氣體中的粒子發生遠距離相互作用:第一個原子會發射一個光子,光子反彈到鏡子上,然後被氣體中的第二個原子重新吸收,無論它與第一個原子的距離有多遠。當發射和重新吸收的光子足夠多時(在實驗中很容易調整),原子就會集體組織成密度波模式。
布蘭特說:”原子在費米氣體中直接相互碰撞,同時又在很遠的距離上交換光子,這是一種新型物質,其中的相互作用是極端的。我們希望,我們在那裡看到的東西將增進我們對物理學中遇到的一些最複雜材料的理解。”