美國麻省理工學院(MIT)的物理學家已直接觀察到一種由超冷原子形成的“量子龍卷風”晶體。

該研究論文發布在1月5日的《自然》(Nature)雜志上。

據報道，人們感知的世界是經典物理學所能解釋的。人們所在的位置、移動的方式和速度都是確定、唯一的。

但在微觀的量子世界中，粒子的位置是個概率問題。例如，一個原子在同一時間有一定概率出現在一個位置，也有一定概率出現在另一個位置，同一原子可以同時出現在兩個甚至多個地方。

當粒子純粹作為量子效應的結果而相互作用時，一系列奇怪的現象就會隨之而來。但在經典物理主導的宏觀世界中觀察粒子相互作用的這種純量子力學行為是一項艱巨的任務。

麻省理工學院物理學家發現在特定物質狀態下相互作用和量子力學的相互作用，會產生一種由超冷原子組成的自旋量子流體。研究人員預測，在一個旋轉的流體中，相互作用將主導并驅動粒子表現出奇特的、從所未有的行為。

在這項研究中，團隊迅速旋轉一種由超冷原子組成的量子流體。他們觀察到最初的圓形原子云首先變成細長的針狀結構。然后，當經典效應被抑制，讓相互作用和量子定律主導原子的行為時，針狀結構會自發地形成一個晶體圖案，就像一串微型的“量子龍卷風”。

研究的由來

在20世紀80年代，物理學家開始觀察一種被稱為量子霍爾液體的新物質家族，它由漂浮在磁場中的電子云組成。這些粒子并沒有像經典物理學預測的那樣相互排斥并形成晶體，而是以一種相關的量子方式，根據它們周圍粒子的行為來調整自己的行為。

“人們發現了各種驚人的特性，原因是在磁場中，電子(通常)被凍結在原地——它們所有的動能都被關閉了，只剩下純粹的相互作用。”麻省理工學院物理學助教理查德·弗萊徹(Richard Fletcher)說。

特別是在磁場中電子的運動非常小，很難觀察到。麻省理工學院物理學教授馬丁·茨維爾萊因(Martin Zwierlein)和他的同事推斷，由于原子在旋轉下的運動發生在更大的距離和尺度上，因此使用超冷原子作為電子的替身，可能會觀察到相同的物理現象?！拔覀兿耄屵@些冷原子表現得像磁場中的電子，但可以精確地控制它們。然后我們就可以想象單個原子在做什么，并看看它們是否遵循相同的量子力學原理?！?/p>

已有的成果

首先，該團隊用激光捕獲了大約100萬個鈉原子，并將原子冷卻到大約100納開爾文的溫度。然后使用電磁鐵系統來產生一個陷阱，以限制原子，并像碗里的彈珠一樣以大約每秒100轉的速度集體旋轉原子。

團隊用照相機拍攝了這朵圓形的原子云，捕捉視角類似于兒童在游樂場旋轉木馬上面朝中心。大約100毫秒后，研究人員觀察到原子旋轉成一個長長的針狀結構，達到了臨界的量子厚度。

“在傳統的流體中，比如香煙煙霧，它會不斷變薄。但在量子世界中，流體的厚度達到了極限。”茨維爾萊因說。他和助教弗萊徹在之前《科學》雜志的一篇論文中發表了到這一階段的研究成果。

“當我們看到它達到了這個極限時，我們有充分的理由認為，我們正在敲開有趣的量子物理學的大門?！备トR徹說， “接下來的問題是，這種針狀的流體在純粹的旋轉和相互作用的影響下會發生什么?”

“量子龍卷風”出現

在1月5日發表的新論文中，該團隊將他們的實驗向前推進了關鍵一步，看針狀流體是如何演變的。他們觀察到量子的不穩定性開始發揮作用：針狀結構開始動搖，然后螺旋式旋轉，最后爆發成一串旋轉的斑點，似一個微型龍卷風——這是一種量子晶體，由純粹的氣體旋轉的相互作用，以及原子之間的相互作用形成。

“這種進化與蝴蝶效應有關，因為不穩定會引發湍流。在這里，我們有量子天氣：流體僅因它的量子不穩定性，分裂成更小的云和漩渦狀的晶體結構。能夠直接看到這些量子效應就是一個突破?！贝木S爾萊因說道，“解釋地球旋轉效應的科里奧利效應類似于解釋帶電粒子在磁場中行為的洛倫茲力。即使在經典物理學中，這也會產生有趣的圖案，就像云以美麗的螺旋運動環繞著地球?，F在我們可以在量子世界中研究這一現象?！?/p>

“這種結晶過程純粹是由相互作用驅動的，它告訴我們，我們正從經典世界進入量子世界?！备トR徹說。

這項研究結果是第一個快速旋轉的量子氣體演化的直接和原位記錄。該研究的共同作者包括Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric Wilson和Valentin Crépel，均隸屬于麻省理工學院-哈佛大學超冷原子中心和麻省理工學院電子研究實驗室。