陳根:物質第五態,喜迎新突破?

文/陳根

固態、液態、氣態和等離子體是為人所熟悉的物質的四種狀態,而在這四種狀態之外,則

還存在物質第五態,即

玻色-愛因斯坦凝聚態

早在20世紀20年代初,阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)和印度數學家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)就預言了玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)的存在。

陳根:物質第五態,喜迎新突破?

玻色-愛因斯坦凝聚態是玻色子原子冷卻到略高於絕對零度時形成的

。這會導致它們下沉到能量最低的量子態,移動非常緩慢,並且靠近到可以重疊,從而產生一個高密度的原子雲。這時的物質狀態不再表現為單個原子和粒子,而是一個處於量子態的實體,表現出統一的狀態。

當然,物理的實驗要追趕上理論,往往還需要漫長的時間。在玻色-愛因斯坦凝聚的理論預測誕生70多年後,這種狀態真正地在實驗室中被製造出來,並且,至今為止,物理學家們仍在嘗試製備物質的第五狀態。

近日,

來自芝加哥大學和山西大學的國際研究團隊將6萬個11納開爾文的銫原子固定在他們製造的二維平坦勢阱中,產生了銫原子的玻色-愛因斯坦凝聚態,

在磁場的作用下,這些原子形成了分子,首次形成較為穩定的銫分子玻色-愛因斯坦凝聚態。

為了實現極冷的實驗環境,研究團隊

分三個階段來冷卻銫原子

第一階段是鐳射冷卻

,銫原子被放到磁光阱中,銫原子受到來自三對方向垂直的特定頻率的鐳射照射,當其運動方向與鐳射方向相對時,銫原子會吸收光子,同時獲得原先光子的動量,但由於兩者運動方向相反,銫原子的動量會降低,也就是讓其降溫。在這個過程中,銫原子能被冷卻到幾微開爾文量級。

第二階段需要拉曼邊帶冷卻,即將銫原子束縛到光晶格中,每個格點可以近似看作一個簡諧子勢阱

。在簡諧子勢阱中,原子一般不處於振動能級基態。而由於外加磁場對原子造成的塞曼效應(Zeeman effect),原子能級分裂成多個能級。

調整磁場讓分裂能級間隔和原子振動能級間隔相同,再透過拉曼雙光子過程,改變原子的磁量子數和振動能級,讓原子處於最低能量狀態,這樣就能讓原子冷卻到幾百納開爾文左右。

第三階段需要用到蒸發冷卻。

將原子固定到勢阱中,不斷降低勢阱的深度,讓動能較高的原子自發逃出勢阱。就像蒸發一樣,逃走的原子帶走了部分熱量,剩下的原子經過彈性碰撞達到平衡後,相較於之前的狀態,整體溫度進一步降低。最終,透過三個冷卻步驟,研究人員得到了6萬個11納開爾文的銫原子組成的凝聚體。

將6萬個銫原子冷卻到11納開爾文,並固定到二維平坦勢阱中後,銫原子就已經進入了玻色-愛因斯坦凝聚態。

接下來,研究人員透過控制磁場變化,讓銫原子變為了銫分子

首次形成較為穩定的銫分子玻色-愛因斯坦凝聚態

這對於量子力學的研究無疑是種新突破,實際上,量子科學觸及了人們生活的方方面面。量子力學作為物理學的一個分支,專注於研究原子和亞原子粒子的行為,是包括手機和計算機在內的許多現代技術中多種元件的構成基礎,涉及了矽的電子波動特性。更多的突破也將為人類探索未知做出更多鋪墊。

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