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量子

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氢:最后的一种量子气体

01 Feb 1999

1995年对ose原子气体中的玻色-爱因斯坦缩合进行的实验观察对物理学界产生了巨大影响,有关“新的物质状态”的报道在全世界的报纸上广为报道。相比之下,芬兰图尔库大学的Simo Jaakkola和他的小组与莫斯科Kurchatov研究所的研究人员合作,最近观察到了这种效应的二维模拟,这是相对模糊的。 . 1998 物理莱特牧师 81 4545).

Jaakkola在吸附到液氦表面的特殊制备的氢原子气体中观察到二维Bose-Einstein凝聚(2 BEC)。在玻色-爱因斯坦凝聚中,系统中的所有粒子都坍塌成具有许多不同寻常和新颖性质的单个量子态。

原子氢曾经被认为是一种量子气体的缩影,但事实证明它的凝结比预期的更加困难,近年来,由于氢原子的研究,氢已被推到了本底。但是,与三维相反,原子氢在产生二维冷凝物的竞争中具有两个自然优势:异常稳定且与液氦的相互作用非常弱。后一种特性确保氢原子可以在表面上自由移动并表现为2D气体。

Turku实验是第一个展示原子氢中量子简并行为的实验,随后迅速由美国麻省理工学院的Tom Greytak,Daniel Kleppner及其同事进行了3D演示(物理莱特牧师. 1998 81 3811)。但是,它的真正重要性在于它是在2D几何图形中完成的。就像3D情况一样,2D气体中的量子简并性与多粒子相关性相关,当原子间距离小于原子的德布罗意波长时,这些相关性会显着变化。随着原子的冷却,该波长增加。

但是,2D弱相互作用的Bose气体的理论比其3D对应物的理论要复杂得多,并且只能部分理解。 2D系统的特殊作用,有时甚至是微妙的作用,在物理学中非常普遍。这些系统在不可能进行相变的1D和可能发生相变的3D之间的边缘上保持平衡。

氢原子的二维Bose气体的物理性质与液氦薄膜的物理性质互补。在后一个系统中观察到的量子行为,超流动,是一种输运性质,可以用Kosterlitz,Thouless和Berezinski的现象学理论很好地描述。相反,在2D氢气中很难检测到超流动性。取而代之的是,该系统对局部(两粒子和三粒子)相关性敏感,并且可以与从原子相互作用方面解释BEC的更微观理论相关。反过来,这对于氦气来说更加困难。

图尔库实验的实质如下:一个充满氢原子的缓冲空间,所有氢原子的电子和核自旋指向外加磁场的方向。据说这种气体是双极化的。该气体和吸收到实验室内氦表面上的氢原子彼此平衡。通过冷却腔室的壁,或通过增加缓冲液中氢原子的密度,可以将2D气体的密度增加到出现冷凝水的程度。

真正重要的特征是自旋极化吸附气体的巨大稳定性:唯一的损失机制是三体碰撞中氢分子的形成。这种三粒子过程的速率常数在氢中比在其他冷原子体系中小约10个数量级。这种稳定性是成功的关键,因为它可以积累实现量子简并性所需的很高的表面密度。

如果这是全部故事,那么几年前就可能会观察到2D BEC。但是有一个陷阱:表面上偶尔会形成分子。每个分子释放的总能量为4.5 eV,但幸运的是,只有在从表面解吸后才会释放能量。总体结果是加热并蒸发了表面上的氢原子,从而降低了相空间密度,并降低了产生冷凝液的机会。

解决此问题的一种方法是通过使用强磁场梯度将原子限制在一个小点中来减少原子的有效表面积。这个想法的美丽之处,最初是由库尔恰托夫研究所的尤里·卡根(Yuri Kagan)和戈拉·什利亚普尼科夫(Gora Shlyapnikov)构想的,因为非均质场不会影响重组事件中形成的分子,因为它们是非磁性的,因此可以逸入缓冲气体中。重组热因此被稀释到无害的水平。在图尔库实验中,磁场梯度是由钴铁的环形刀口产生的。该刀口起着现场压缩机的作用,位于氦气表面的正下方。整个装置放置在超导螺线管的孔内。在本地,该场压缩器产生的场梯度高达105 Tm值-1.

那么如何测量小点的表面密度,该点只有大约10-3 厘米 2 在面积上,怎么知道冷凝物已经形成?图尔库小组使用了一种间接方法来解决这个问题:通过注入氢原子的小脉冲来监视表面密度,这些氢原子的原子核自旋在与吸附的原子相反的方向上极化。如果其中之一“reactive”原子降落在氦表面上,将触发分子的形成。导致表面原子损失的增加导致缓冲液的消耗增加。监视缓冲原子的数量,因此可以推断出该点的表面密度。

冷凝物的存在通过其对表面气体固有的三体衰变的影响来揭示。为了对此进行测量,必须关闭反应性原子的注入,以使衰减与表面密度的立方​​成正比。该衰减的速率常数对吸附原子的量子统计敏感。 Kagan及其同事表明,冷凝物的出现应导致衰减常数降低六倍(见图)。正是这种衰减速率大大降低的观察结果,使Turku研究人员确信他们已经击中了金矿。出乎意料的是,测得的减少量甚至更高,其结果仍待令人满意的解释。

Turku实验是第一个证明稀有原子气体中二维Bose-Einstein凝聚的实验。它的解释相当复杂,其结果引起了许多新的问题。但是可以确定的是,该实验为实验研究开辟了令人兴奋的新型量子流体类别。

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