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【物理学家观察超冷原子形成量子龙卷风晶体】
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我们所经历的世界是由经典物理学支配的 。 我们如何移动、我们在哪里以及我们前进的速度都是由经典假设决定的 ， 即我们只能在任何时刻存在于一个地方 。
图注：就像地球上天气模式的形成一样 ， 在这里 ， 量子粒子的旋转流体分解成由旋转的龙卷风状结构形成的晶体 。
但在量子世界中 ， 单个原子的行为受一个怪异的原理支配 ， 即粒子的位置是概率 。 例如 ， 在同一时间 ， 一个原子有一定的机会在一个位置 ， 另一个机会在另一个位置 。
当粒子相互作用时 ， 纯粹是由于这些量子效应的结果 ， 就会出现一系列奇怪的现象 。 但是在经典世界的压倒性噪音中观察相互作用粒子的这种纯量子力学行为是一项艰巨的任务 。
现在 ， 麻省理工学院的物理学家已经直接观察到了特定物质状态下相互作用和量子力学的相互作用：超冷原子的旋转流体 。 研究人员预测 ， 在旋转流体中 ， 相互作用将占主导地位 ， 并驱使粒子表现出奇特的、前所未见的行为 。
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中 ， 麻省理工学院的团队快速旋转了一种超冷原子的量子流体 。 他们看着最初的圆形原子云首先变形为细长的针状结构 。 然后 ， 当经典效应应该被抑制 ， 只留下相互作用和量子定律来支配原子的行为时 ， 针自发地变成了一种晶体模式 ， 类似于一串微型量子龙卷风 。
麻省理工学院物理学助理教授理查德弗莱彻说：“这种结晶纯粹是由相互作用驱动的 ， 它告诉我们我们正在从经典世界进入量子世界 。 ”
结果是快速旋转的量子气体演化的第一个直接原位记录 。 麻省理工学院 Thomas A. Frank 物理学教授马丁·茨维尔莱茵（Martin Zwierlein）表示 ， 自旋原子的演化与地球自转如何产生大规模天气模式大致相似 。
“解释地球旋转效应的科里奥利效应类似于解释带电粒子在磁场中的行为的洛伦兹力 ， ”茨维尔莱因指出 ， “即使在经典物理学中 ， 这也会产生有趣的模式形成 ， 就像云层以美丽的螺旋运动环绕地球一样 。 现在我们可以在量子世界中研究这一点 。 ”
该研究的合著者包括 Biswaroop Mukherjee、Airlia Shaffer、Parth B. Patel、Zhenjie Yan、Cedric Wilson 和 Valentin Crépel ， 他们都隶属于麻省理工学院-哈佛超冷原子中心和麻省理工学院电子研究实验室 。
旋转替身
在20世纪80年代 ， 物理学家开始观察称为量子霍尔流体的新物质家族 ， 它由漂浮在磁场中的电子云组成 。 正如经典物理学所预测的那样 ， 这些粒子并没有相互排斥并形成晶体 ， 而是以一种相关的量子方式将它们的行为调整为它们的邻居正在做的事情 。
“人们发现了各种惊人的特性 ， 原因是 ， 在磁场中 ， 电子（通常）被冻结在原地——它们的所有动能都被关闭了 ， 剩下的就是纯粹的相互作用 ， ”弗莱彻说 ， “所以 ， 整个世界都出现了 ， 但观察和理解是非常困难的 。 ”
特别是 ， 磁场中的电子以很难看到的非常小的运动运动 。 茨维尔莱茵和他的同事们推断 ， 由于旋转中原子的运动发生在更大的长度尺度上 ， 他们可能能够使用超冷原子作为电子的替代品 ， 并且能够观察到相同的物理现象 。
“我们想 ， 让这些冷原子表现得好像它们是磁场中的电子一样 ， 但我们可以精确控制 ， ”茨维尔莱茵说 ， “然后我们可以想象单个原子在做什么 ， 看看它们是否遵循相同的量子力学物理学 。 ”
旋转木马中的天气
在他们的新研究中 ， 物理学家使用激光捕获了大约100万个钠原子的云 ， 并将这些原子冷却到大约100纳开尔文的温度 。 然后 ， 他们使用电磁铁系统产生一个陷阱来限制原子 ， 并以每秒约100转的速度共同旋转原子 ， 就像碗中的弹珠一样 。
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