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“除非有一个外星文明现在也正在做这样的实验,否则在任何时间只要这项实验在运行,它就是在制造宇宙中最寒冷的费米子。”一项新研究的科学家这样介绍他们的成果。
物理学家利用温度约是寒冷的星际空间的30亿分之一的原子,打开了一个通往量子磁性的未知领域的大门。研究已发表在《自然·物理》上。
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突破性量子模拟器观察到的复杂磁相关的艺术家畅想图。实验中的模拟器使用了比深空还要冷30亿倍的镱原子。不同颜色代表每个原子的6种可能的自旋态。模拟器使用了多达30万个原子,让物理学家能够直接观察粒子在量子磁体中的相互作用,这种复杂性远远超出了最强大的超级计算机的计算能力。(图/Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University)
超冷原子的量子特性
费米子并非罕见的粒子,这是一类自旋为半整数的粒子,电子、重子还有许多原子都属于费米子,它们被认为是构成所有物质的基石。
与电子和光子一样,原子同样受到量子动力学定律的制约,但它们的量子行为只有在被冷却到接近绝对零度的温度时才会显现出来。绝对零度是所有运动都停止的可望不可及的温度。
几十年来,物理学家一直使用激光冷却来研究超冷原子的量子特性。他们可以将原子限制在一个小型真空玻璃或金属盒中,来自激光束的推动会让最具能量的原子释放出一些能量,这就好像对着一杯热茶吹气,从而降低了整体的温度。
努力变得这么冷的“回报”是,物理性质开始改变,它变得更“量子”了,让科学家观察到新的现象。也就是说,用激光冷却原子,并将它们的运动限制在光学格、一维、二维或三维的光通道中,这些光通道就可以作为量子模拟器,来解决传统计算机无法解决的复杂问题。
探索SU(6)哈伯德模型
在这同城交友新郑项研究中,团队使用激光,将费米子(镱原子)冷却在绝对零度以上大约十亿分之一的范围内。这是极低的温度,甚至寒冷的、被大爆炸的余辉所温暖的星际空间,都比它要温暖30亿倍。