2019-08-03 10:37:01
在量子领域将水变成冰

生物学家对构成细胞壁和纺锤体的微管进行逆向工程.jpg

当你将一盘水放入冰箱时,就会得到冰块。现在,科罗拉多大学博尔德分校和多伦多大学的研究人员利用超冷原子云实现了类似的转变。

在一项将于8月2日刊登在“科学进展”杂志上的一项研究中,研究小组发现它可以推动这些量子材料在“动力学阶段”之间进行转换 - 实质上是在原子以完全不同的方式表现的两种状态之间跳跃。

研究报告的共同作者Ana Maria Rey说:“这种情况突然发生,它类似于我们在水变冰等系统中看到的相变。” “但与冰箱中的冰块不同,这些相不存在于平衡状态。相反,原子随着时间的推移不断变化和发展。”

她补充说,研究结果为实验室难以研究的材料提供了一个新窗口。

“例如,如果你想设计一个量子通信系统将信号从一个地方发送到另一个地方,一切都将失去平衡,”Rey说,他是JILA的研究员,JILA是CU Boulder与国家研究所之间的联合研究所。标准与技术(NIST)。 “如果我们想要将我们所知道的应用到量子技术中,这种动态将成为理解的关键问题。”

科学家在超冷原子之前观察到类似的跃迁,但仅在几十个带电原子或离子中观察到。

相比之下,雷伊和她的同事们转向由数万个不带电或中性的费米子原子组成的云。她说,费米子原子是元素周期表的内向。他们不想与他们的原子共享他们的空间,这可能使他们在冷原子实验室中更难控制。

研究合着者,多伦多大学物理学教授Joseph Thywissen说:“我们真的在一个不知道我们会发现什么的新领域徘徊。”

为了驾驭这片新领域,研究人员充分利用了中性原子之间发生的微弱相互作用 - 但只有当这些原子在一个狭窄的空间中相互撞击时才会发生。

首先,Thywissen和他在加拿大的团队将由中性钾原子组成的气体冷却到绝对零度以下的一小部分。接下来,他们调整了原子,使它们的“旋转”指向同一个方向。

Thywissen解释说,这种旋转是所有原子的自然属性,有点像地球的磁场,目前指向北方。

一旦原子全部停留在地层中,该组就会调整它们以改变它们相互之间的相互作用程度。这就是乐趣开始的地方。

“我们使用一种磁场进行实验,原子以一种方式跳舞,”Thywissen说。 “后来,我们用不同的磁场再次进行实验,原子以完全不同的方式跳舞。”

在第一次舞蹈中 - 或者当原子几乎没有相互作用时 - 这些粒子陷入混乱。原子自旋开始以自己的速度旋转,并且很快都指向不同的方向。

想象一下,就像站在一个充满了数千个时钟的房间里,第二只手都以不同的节奏滴答作响。

但那只是故事的一部分。当小组增加了原子之间相互作用的强度时,他们就会像无序的个体一样停止行动,更像是集体。换句话说,他们的旋转仍然打勾,但他们同步。

在这个同步阶段,“原子不再是独立的”,CU Boulder的物理学研究生,新论文的主要作者之一Peiru He说。 “他们互相感受,互动会促使他们彼此对齐。”

通过正确的调整,该小组还发现它可以做其他事情:转回时间,导致同步和无序阶段恢复到初始状态。

最后,研究人员只能将这两种不同的物质动力相保持约0.2秒。如果他们可以增加那段时间,他说,他们可能会做出更有趣的观察。

“为了看到更丰富的物理学,我们可能需要等待更长时间,”他说。

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