實(shí)驗(yàn)室首次生產(chǎn)二維超固體量子氣體

量子氣體非常適合研究物質(zhì)相互作用的微觀后果。今天，科學(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室中精確控制極度冷卻的氣體云中的單個(gè)粒子，揭示在日常生活中無(wú)法觀察到的現(xiàn)象。例如，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚中的單個(gè)原子是完全離域的。這意味著在任何給定時(shí)間，凝聚物中的每個(gè)點(diǎn)都存在相同的原子。兩年前，由因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系和奧地利因斯布魯克科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所的 Francesca Ferlaino 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次成功地在超低溫下產(chǎn)生了超固態(tài)。磁性原子的量子氣體。磁相互作用導(dǎo)致原子自組織成液滴并以規(guī)則模式排列。

“通常情況下，你會(huì)認(rèn)為每個(gè)原子都存在于一個(gè)特定的液滴中，無(wú)法在它們之間找到，”Francesca Ferlaino 團(tuán)隊(duì)的 Matthew Norcia 說(shuō)。“然而，在超固態(tài)下，每個(gè)粒子都在所有液滴中離域，同時(shí)存在于每個(gè)液滴中。所以基本上，你有一個(gè)具有一系列高密度區(qū)域(液滴)的系統(tǒng)，這些區(qū)域都共享相同的離域原子。”盡管存在空間秩序(超流動(dòng)性)，但這種奇異的構(gòu)造仍能產(chǎn)生無(wú)摩擦流動(dòng)等效果。”Francesca Ferlaino 團(tuán)隊(duì)的 Matthew Norcia 說(shuō)。“然而，在超固態(tài)下，每個(gè)粒子都在所有液滴中離域，同時(shí)存在于每個(gè)液滴中。所以基本上，你有一個(gè)具有一系列高密度區(qū)域(液滴)的系統(tǒng)，這些區(qū)域都共享相同的離域原子。”盡管存在空間秩序(超流動(dòng)性)，但這種奇異的構(gòu)造仍能產(chǎn)生無(wú)摩擦流動(dòng)等效果。”Francesca Ferlaino 團(tuán)隊(duì)的 Matthew Norcia 說(shuō)。“然而，在超固態(tài)下，每個(gè)粒子都在所有液滴中離域，同時(shí)存在于每個(gè)液滴中。所以基本上，你有一個(gè)具有一系列高密度區(qū)域(液滴)的系統(tǒng)，這些區(qū)域都共享相同的離域原子。”盡管存在空間秩序(超流動(dòng)性)，但這種奇異的構(gòu)造仍能產(chǎn)生無(wú)摩擦流動(dòng)等效果。

新維度、新效果等你探索

到目前為止，量子氣體中的超固態(tài)只能被觀察為一串液滴(沿著一個(gè)維度)。“與漢諾威萊布尼茨大學(xué)的理論家 Luis Santos 和因斯布魯克的 Russell Bisset 合作，我們現(xiàn)在將這種現(xiàn)象擴(kuò)展到二維，從而產(chǎn)生了具有兩排或更多排液滴的系統(tǒng)，”Matthew Norcia 解釋道。這不僅是數(shù)量上的改進(jìn)，而且還極大地拓寬了研究視野。“例如，在二維超固體系統(tǒng)中，人們可以研究渦流是如何在幾個(gè)相鄰液滴之間的孔中形成的，”他說(shuō)。“這些理論上描述的渦流尚未得到證實(shí)，但它們代表了超流體的一個(gè)重要后果，”弗朗西斯卡費(fèi)萊諾已經(jīng)在展望未來(lái)。

新研究領(lǐng)域：超固體

50 年前預(yù)測(cè)，在超流氦中已經(jīng)廣泛研究了具有驚人特性的超固體。然而，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)中超固體的明確證據(jù)仍然缺失。兩年前，位于比薩、斯圖加特和因斯布魯克的研究小組首次獨(dú)立成功地利用超冷量子氣體中的磁性原子制造了所謂的超固體。超固體這個(gè)新的、不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)是磁性原子的強(qiáng)極性，它的相互作用特性能夠在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出這種自相矛盾的量子力學(xué)狀態(tài)。

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