美國麻省理工學院(MIT)的實體學家已直接觀察到一種由超冷原子形成的“量子龍卷風”晶體。
該研究論文釋出在1月5日的《自然》(Nature)雜志上。
據報道，人們感覺的世界是經典實體學所能解釋的。人們所在的位置、移動的方式和速度都是确定、唯一的。
但在微觀的量子世界中，粒子的位置是個機率問題。例如，一個原子在同一時間有一定機率出現在一個位置，也有一定機率出現在另一個位置，同一原子可以同時出現在兩個甚至多個地方。
當粒子純粹作為量子效應的結果而互相作用時，一系列奇怪的現象就會随之而來。但在經典實體主導的宏觀世界中觀察粒子互相作用的這種純量子力學行為是一項艱巨的任務。
麻省理工學院實體學家發現在特定物質狀态下互相作用和量子力學的互相作用，會産生一種由超冷原子組成的自旋量子流體。研究人員預測，在一個旋轉的流體中，互相作用将主導并驅動粒子表現出奇特的、從所未有的行為。
在這項研究中，團隊迅速旋轉一種由超冷原子組成的量子流體。他們觀察到最初的圓形原子雲首先變成細長的針狀結構。然後，當經典效應被抑制，讓互相作用和量子定律主導原子的行為時，針狀結構會自發地形成一個晶體圖案，就像一串微型的“量子龍卷風”。
研究的由來
在20世紀80年代，實體學家開始觀察一種被稱為量子霍爾液體的新物質家族，它由漂浮在磁場中的電子雲組成。這些粒子并沒有像經典實體學預測的那樣互相排斥并形成晶體，而是以一種相關的量子方式，根據它們周圍粒子的行為來調整自己的行為。
“人們發現了各種驚人的特性，原因是在磁場中，電子(通常)被當機在原地——它們所有的動能都被關閉了，隻剩下純粹的互相作用。”麻省理工學院實體學助教理查德·弗萊徹(Richard Fletcher)說。
特别是在磁場中電子的運動非常小，很難觀察到。麻省理工學院實體學教授馬丁·茨維爾萊因(Martin Zwierlein)和他的同僚推斷，由于原子在旋轉下的運動發生在更大的距離和尺度上，是以使用超冷原子作為電子的替身，可能會觀察到相同的實體現象。“我們想，讓這些冷原子表現得像磁場中的電子，但可以精确地控制它們。然後我們就可以想象單個原子在做什麼，并看看它們是否遵循相同的量子力學原理。”
已有的成果
首先，該團隊用雷射捕獲了大約100萬個鈉原子，并将原子冷卻到大約100納開爾文的溫度。然後使用電磁鐵系統來産生一個陷阱，以限制原子，并像碗裡的彈珠一樣以大約每秒100轉的速度集體旋轉原子。
團隊用照相機拍攝了這朵圓形的原子雲，捕捉視角類似于兒童在遊樂場旋轉木馬上面朝中心。大約100毫秒後，研究人員觀察到原子旋轉成一個長長的針狀結構，達到了臨界的量子厚度。
“在傳統的流體中，比如香煙煙霧，它會不斷變薄。但在量子世界中，流體的厚度達到了極限。”茨維爾萊因說。他和助教弗萊徹在之前《科學》雜志的一篇論文中發表了到這一階段的研究成果。
“當我們看到它達到了這個極限時，我們有充分的理由認為，我們正在敲開有趣的量子實體學的大門。”弗萊徹說， “接下來的問題是，這種針狀的流體在純粹的旋轉和互相作用的影響下會發生什麼?”
“量子龍卷風”出現
在1月5日發表的新論文中，該團隊将他們的實驗向前推進了關鍵一步，看針狀流體是如何演變的。他們觀察到量子的不穩定性開始發揮作用：針狀結構開始動搖，然後螺旋式旋轉，最後爆發成一串旋轉的斑點，似一個微型龍卷風——這是一種量子晶體，由純粹的氣體旋轉的互相作用，以及原子之間的互相作用形成。
“這種進化與蝴蝶效應有關，因為不穩定會引發湍流。在這裡，我們有量子天氣：流體僅因它的量子不穩定性，分裂成更小的雲和漩渦狀的晶體結構。能夠直接看到這些量子效應就是一個突破。”茨維爾萊因說道，“解釋地球旋轉效應的科裡奧利效應類似于解釋帶電粒子在磁場中行為的洛倫茲力。即使在經典實體學中，這也會産生有趣的圖案，就像雲以美麗的螺旋運動環繞着地球。現在我們可以在量子世界中研究這一現象。”
“這種結晶過程純粹是由互相作用驅動的，它告訴我們，我們正從經典世界進入量子世界。”弗萊徹說。
這項研究結果是第一個快速旋轉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院-哈佛大學超冷原子中心和麻省理工學院電子研究實驗室。