物理学家观察超冷原子形成“量子龙卷”晶体

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，以及我们的速度有多快，都是由经典的假设决定的，即我们在任何一个时间点只能存在于一个地方。但在量子世界中，单个原子的行为是由一个粒子的位置是一个按照概率的奇妙的原理所支配的。例如，在同一个确切的时间一个原子有一定的机会在一个地方，而另一个机会在另一个地方。

当粒子相互作用时，纯粹作为这些量子效应的结果，一系列奇怪的现象应该随之产生。但是，在经典世界的压倒性噪音中观察相互作用的粒子的这种纯粹的量子力学行为是一项棘手的工作。

现在，麻省理工学院的物理学家们已经直接观察到在一种特殊的物质状态下相互作用和量子力学的相互作用：一种超冷原子的旋转流体。研究人员预测，在旋转的流体中，相互作用将占主导地位，并推动粒子表现出奇异的、从未见过的行为。

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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一个由旋转的、类似龙卷风的结构形成的晶体。

在2022年1月5日发表在《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超冷原子的量子流体。他们观察到，最初的圆形原子云首先变形为一个薄薄的针状结构。然后，在经典效应应该被抑制，只留下相互作用和量子法则来主导原子行为的时候，针状物自发地断成了一个结晶图案，类似于一串微型的量子龙卷。

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，这个过程告诉我们我们正在从经典世界走向量子世界。"

这些结果是对快速旋转的量子气体的演变的第一个直接的、现场的记录。麻省理工学院的托马斯-A-弗兰克物理学教授Martin Zwierlein说，旋转的原子的演变大致类似于地球的自转如何旋转出大规模的天气模式。

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如何表现的洛伦兹力，即使在经典物理学中，这也会产生耐人寻味的模式形成，比如云层以美丽的螺旋运动包裹着地球。而现在我们可以在量子世界中研究这个问题。

这项研究的共同作者包括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-哈佛大学超冷原子中心和麻省理工学院的电子研究实验室。

在20世纪80年代，物理学家开始观察一种被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。这些粒子不是像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以一种相关的、量子的方式，根据其邻居的行为调整自己的行为。特别是，磁场中的电子以非常小的运动方式移动很难看到。Zwierlein和他的同事推断，由于原子在旋转下的运动发生在更大的长度尺度上，他们也许能够使用超冷原子作为电子的替身，并能够观察到相同的物理现象。

让这些冷原子的行为就像它们在磁场中的电子一样，但可以被精确控制。然后我们可以直观地看到单个原子在做什么，判断它们是否服从相同的量子力学物理学。

在他们的新研究中，物理学家们用激光捕获了一团约100万个钠原子，并将原子冷却到约100纳克尔文的温度。然后他们使用电磁铁系统产生一个陷阱来限制原子，并集体旋转原子，就像碗里的弹珠一样，每秒大约旋转100次。

研究小组用照相机对原子云进行了成像，捕捉到了类似于儿童在游乐场旋转木马上面向中心时的视角。大约100毫秒后，研究人员观察到原子旋转成一个长长的针状结构，并形成了一个最高点。

相关链接：https://phys.org/news/2022-01-physicists-ultracold-atoms-crystal-quantum.html

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