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超冷物质

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如何将玻色子变成费米子

07 Apr 2020
铁离子化
费米子化剂:物理学家利用这种实验装置使玻色子原子的行为像费米子一样。 (礼貌:内特·福尔默/宾夕法尼亚州立大学)

美国的物理学家已经证明,通常群居的玻色子在冷却到非常低的温度并用激光束操纵时,其行为像孤立的费米子,并占据不同的量子态。在对早期工作进行扩展后,他们发现这种“铁离子化”过程可以涵盖粒子的速度及其空间特性。他们说,这种转变可以证明在量子技术的发展中非常方便。

玻色子是具有整数自旋量的原子或其他粒子。许多这样的粒子可以占据一个量子态,这种性质导致玻色-爱因斯坦凝聚现象。这种不寻常的物质状态是在1995年通过实验发现的,是当原子的气体冷却到比绝对零值高出几分之一的程度时导致所有原子都占据相同的量子基态的状态。

与之形成鲜明对比的是,费米子具有半整数自旋并遵守保利排除原理。这意味着没有两个费米子可以同时占据相同的量子态。费米子的这一特性决定了原子电子的行为,为我们提供了元素,分子和固体物质的周期表。但是,通过调节费米子之间的相互作用,可以使它们配对并像玻色子一样工作-库珀电子对形成冷凝物的情况就是如此,这引起了超导现象。

空间铁离子

在最新作品中, 大卫·魏斯, 马科斯·里戈(Marcos Rigol) 相反,宾夕法尼亚州立大学的同事们展示了如何使玻色子像费米子一样起作用。他们通过将硼原子原子的气体冷却到非常低的温度并使用激光束将原子限制在一维势阱阵列中来实现。玻色子之间的强相互作用然后迫使粒子沿1D轴彼此间隔开。尽管每个原子波函数都在空间中散布,但重叠这些波函数所需的大量能量意味着两个粒子不会占据相同的空间区域。换句话说,它们的行为至少在空间上像费米子一样。

2004年,宾州州立大学的Weiss和同事以及德国Garching的马克斯·普朗克量子光学研究所的一个独立研究小组(以略有不同的形式)首次证明了这种铁离子化。与最新研究一样,魏斯(Weiss)的研究小组使用了一种气体,该气体含有约100,000个atoms 87原子,其冷却后的温度仅为开尔文的百分之一。但是在早期的工作中,研究人员将气体保持在平衡状态。这意味着,即使原子在空间位置上像费米子一样起作用,它们仍然具有玻色子所特有的速度分布。

2005年,Rigol(当时是斯图加特大学的博士研究生)得出结论,超冷玻色子在动态状态下的行为应有所不同。他预测,强烈的相互作用粒子在被允许分开时会形成所谓的费米海。而不是速度的扩散非常有限(类似于玻色子),每个粒子应该具有不同的速度(类似于费米子)。

飞散

这就是该小组现在发现的。通过关闭将玻色子限制在1D范围内,允许它们飞散的激光,研究人员发现,粒子速度分布中最初的尖峰逐渐平滑为圆形分布。他们还发现,通过突然改变轴向陷阱的深度,粒子的速度分布会在其波峰和铁离子形式之间振荡-再次如理论所预测的那样。

魏斯认为,对一维气体中“动态费米离子化”的观察应该有助于更广泛地阐明非平衡量子系统。这些可能包括固体或溶液中分子的快速过程。他说:“我们希望确定动力学量子系统中的通用原理。”

魏斯补充说,这种理解也可以带来技术上的好处。正如他指出的那样,量子计算机通常处于失衡状态,以便以一种解决问题的方式来发展系统的波动函数。他补充说,实际上,量子模拟器根本没有什么不同。他说:“他们通常渴望观察平衡物理学,但并非总是很清楚,设置它们所需的变化不会使它们脱离平衡。”

该研究描述于 科学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者