新发现！科学家发现超冷原子形成的“量子龙卷风”

美国麻省理工学院(MIT)的物理学家已直接观察到一种由超冷原子形成的“量子龙卷风”晶体。

该研究论文发布在1月5日的《自然》(Nature)杂志上。

据报道，人们感知的世界是经典物理学所能解释的。人们所在的位置、移动的方式和速度都是确定、唯一的。

但在微观的量子世界中，粒子的位置是个概率问题。例如，一个原子在同一时间有一定概率出现在一个位置，也有一定概率出现在另一个位置，同一原子可以同时出现在两个甚至多个地方。

当粒子纯粹作为量子效应的结果而相互作用时，一系列奇怪的现象就会随之而来。但在经典物理主导的宏观世界中观察粒子相互作用的这种纯量子力学行为是一项艰巨的任务。

麻省理工学院物理学家发现在特定物质状态下相互作用和量子力学的相互作用，会产生一种由超冷原子组成的自旋量子流体。研究人员预测，在一个旋转的流体中，相互作用将主导并驱动粒子表现出奇特的、从所未有的行为。

在这项研究中，团队迅速旋转一种由超冷原子组成的量子流体。他们观察到最初的圆形原子云首先变成细长的针状结构。然后，当经典效应被抑制，让相互作用和量子定律主导原子的行为时，针状结构会自发地形成一个晶体图案，就像一串微型的“量子龙卷风”。

研究的由来

在20世纪80年代，物理学家开始观察一种被称为量子霍尔液体的新物质家族，它由漂浮在磁场中的电子云组成。这些粒子并没有像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以一种相关的量子方式，根据它们周围粒子的行为来调整自己的行为。

“人们发现了各种惊人的特性，原因是在磁场中，电子(通常)被冻结在原地——它们所有的动能都被关闭了，只剩下纯粹的相互作用。”麻省理工学院物理学助教理查德·弗莱彻(Richard Fletcher)说。

特别是在磁场中电子的运动非常小，很难观察到。麻省理工学院物理学教授马丁·茨维尔莱因(Martin Zwierlein)和他的同事推断，由于原子在旋转下的运动发生在更大的距离和尺度上，因此使用超冷原子作为电子的替身，可能会观察到相同的物理现象。“我们想，让这些冷原子表现得像磁场中的电子，但可以精确地控制它们。然后我们就可以想象单个原子在做什么，并看看它们是否遵循相同的量子力学原理。”

已有的成果

首先，该团队用激光捕获了大约100万个钠原子，并将原子冷却到大约100纳开尔文的温度。然后使用电磁铁系统来产生一个陷阱，以限制原子，并像碗里的弹珠一样以大约每秒100转的速度集体旋转原子。

团队用照相机拍摄了这朵圆形的原子云，捕捉视角类似于儿童在游乐场旋转木马上面朝中心。大约100毫秒后，研究人员观察到原子旋转成一个长长的针状结构，达到了临界的量子厚度。

“在传统的流体中，比如香烟烟雾，它会不断变薄。但在量子世界中，流体的厚度达到了极限。”茨维尔莱因说。他和助教弗莱彻在之前《科学》杂志的一篇论文中发表了到这一阶段的研究成果。

“当我们看到它达到了这个极限时，我们有充分的理由认为，我们正在敲开有趣的量子物理学的大门。”弗莱彻说， “接下来的问题是，这种针状的流体在纯粹的旋转和相互作用的影响下会发生什么?”

“量子龙卷风”出现

在1月5日发表的新论文中，该团队将他们的实验向前推进了关键一步，看针状流体是如何演变的。他们观察到量子的不稳定性开始发挥作用：针状结构开始动摇，然后螺旋式旋转，最后爆发成一串旋转的斑点，似一个微型龙卷风——这是一种量子晶体，由纯粹的气体旋转的相互作用，以及原子之间的相互作用形成。

“这种进化与蝴蝶效应有关，因为不稳定会引发湍流。在这里，我们有量子天气：流体仅因它的量子不稳定性，分裂成更小的云和漩涡状的晶体结构。能够直接看到这些量子效应就是一个突破。”茨维尔莱因说道，“解释地球旋转效应的科里奥利效应类似于解释带电粒子在磁场中行为的洛伦兹力。即使在经典物理学中，这也会产生有趣的图案，就像云以美丽的螺旋运动环绕着地球。现在我们可以在量子世界中研究这一现象。”

“这种结晶过程纯粹是由相互作用驱动的，它告诉我们，我们正从经典世界进入量子世界。”弗莱彻说。

这项研究结果是第一个快速旋转的量子气体演化的直接和原位记录。该研究的共同作者包括Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric Wilson和Valentin Crépel，均隶属于麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心和麻省理工学院电子研究实验室。