纽约新闻: 纽约最冷实验室的全新量子突破(图

2024-06-11 | 来源: 煎蛋网 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

哥伦比亚大学的物理学家将分子冷却到新的极限，创造了一个量子力学主导的物质状态。

纽约最冷的实验室里出现了一个新的热门BEC(玻色-爱因斯坦凝聚态)，这与早餐三明治无关。你不会在当地的便利店找到它，而是在哥伦比亚大学物理学家Sebastian Will的实验室里。他的实验团队专注于将原子和分子冷却到接近绝对零度的温度。

在《自然》杂志上，Will的实验室与荷兰拉德堡德大学的理论合作伙伴Tijs Karman合作，成功地用分子创造了一种独特的量子物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。

他们的BEC被冷却到仅五纳开尔文(约-459.66华氏度)，并能稳定保持惊人的两秒钟，由钠和铯分子组成。像水分子一样，这些分子是极性的，携带正电和负电荷。电荷分布不均促进了长距离相互作用，这使得物理现象更加有趣，Will指出。

Will实验室对他们的分子BEC研究充满了期待，包括探索多种不同的量子现象，如新的超流体状态——一种无需摩擦即可流动的物质状态。他们还希望将他们的BEC变成模拟器，重现更复杂材料(如固体晶体)的神秘量子特性。

“分子玻色-爱因斯坦凝聚态开启了全新的研究领域，从理解基础物理学到推进强大的量子模拟，”他说。“这是一个令人兴奋的成就，但实际上只是一个开始。”

对于Will实验室来说，这是一场梦想成真，而对于更广泛的超冷研究社区来说，这已经是几十年的努力成果。

超冷分子，一世纪的探索

BEC的科学可以追溯到一个世纪前，物理学家Satyendra Nath Bose和Albert Einstein。在1924年和1925年发表的一系列论文中，他们预测，一组被冷却到近乎静止的粒子将聚合成一个更大、更具共同性质的超级实体，其行为由量子力学法则支配。如果能够创造出BEC，它们将为研究人员提供一个诱人的平台，以比单个原子或分子更易处理的尺度探索量子力学。

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从这些最初的理论预测开始，花了大约70年时间，第一批原子BEC在1995年被创造出来。这个成就被授予2001年的诺贝尔物理学奖，就在Will在德国美因茨大学开始物理学研究的时期。如今，实验室通常用几种不同类型的原子制备原子BEC。这些BEC扩展了我们对物质波动性和超流体等概念的理解，并导致了量子气体显微镜和量子模拟器等技术的发展。

然而，从宏观来看，原子相对简单。它们是圆形的物体，通常没有极性引起的相互作用。自从第一个原子BEC被实现以来，科学家们一直希望用分子创造更复杂的版本。但即使是由两种不同元素的原子结合而成的简单双原子分子，也很难冷却到形成适当BEC所需的温度以下。

首个突破出现在2008年，当时科罗拉多州博尔德市JILA的物理学家Deborah Jin和Jun Ye将钾-铷分子气体冷却到约350纳开尔文。这种超冷分子在近年来被证明对执行量子模拟、研究分子碰撞和量子化学非常有用，但要跨越BEC门槛，还需要更低的温度。

2023年，Will实验室使用类似于Jin和Ye的方法，通过激光冷却和磁性操控，创造了他们所选择的钠-铯分子超冷气体。为了达到更低的温度，他们引入了微波。

更冷：加入微波

微波是哥伦比亚大学历史悠久的一种电磁辐射形式。20世纪30年代，物理学家Isidor Isaac Rabi(后来的诺贝尔奖获得者)在微波方面开展了开创性工作，导致了机载雷达系统的发展。“Rabi是第一批控制分子量子态的人之一，也是微波研究的先驱，”Will说。“我们的工作延续了那长达90年的传统。”

虽然你可能熟悉微波在加热食物中的作用，但事实证明它们也可以促进冷却。单个分子倾向于相互碰撞，结果会形成更大的复合体并从样本中消失。微波可以在每个分子周围形成小屏障，防止它们碰撞，这是他们在荷兰的合作者Karman提出的一个想法。由于分子在防止碰撞的屏障保护下，只有最热的分子才能优先从样本中移除——这与当你沿着咖啡杯顶部吹气时冷却咖啡的物理原理相同，解释了作者Niccolò Bigagli。剩下的分子会更冷，整体样本的温度也会下降。