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窥见原子版三体世界中的量子效应

作者:易互动热点资讯 时间:2019-01-11 15:59 来源:www.yihudong.net
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窥见原子版三体世界中的量子效应

叶菲莫夫态描述了三个粒子形成的一个纠缠态,虽然其中任何两个单独在一起都会互相排斥,但三个粒子同时存在时却能不变地互相吸引。物理学家叶菲莫夫多年前就在理论上预言了这个希罕的现象,但直到近年来低温技术得到发展,科学家们才在实验中观测到它。

曾有一个叫作Borromeo的家族,该家族的纹章上画了三个交错的圆环。对于生活在15世纪的这个家族,他们的纹章有很多注释,其中一个是说这三个圆环代表了Borromeo家族和别的两个家族通过姻亲结成的牢不成破的联盟,这个联盟持续了很多个世纪。

物理学上,会称这三个圆环是“纠缠”的。这个概念也经常用来描述原子或其他粒子。它是指当你拿起这三个物体中任意一个时,别的两个也会跟着一块儿动;而假如你将任意一个剪掉(移除),剩下两个则会主动分离。若三个原子也是处于这种状况,则称它们处于叶菲莫夫态(Efimov态)。近来,物理评论快报上的一篇文章指出,正如原先的理论猜测的那样,叶菲莫夫态是标准可变的。

叶菲莫夫态:三人成伴,两人不欢

2007年,物理学家们在实验中首次实现了叶菲莫夫态。从原子的角度来讲,叶菲莫夫效应是指向系统中引入第三个原子后,原本互相排斥的两个原子最先强烈地互相吸引的现象。

英语中有一句习语,two is company, three's a crowd,意为“两人成伴,三人不欢”,但微观领域内观测到的现象却和人们常说的相反,三人成伴,两人不欢!

然而,叶菲莫夫效应只能在超冷气体(如铯)中被观测到,所需的温度比绝对零度只高十亿分之一度。这远比外太空的温度(约3K)还低!

叶菲莫夫效应由俄罗斯科学家维塔利·叶菲莫夫提出。1969年时,叶菲莫夫拿到了理论核物理学博士学位,年轻的他大胆自信地提出了一个非常希罕的猜测:在合适的条件下,两两之间本该互相排斥的三个原子会互相吸引,并且有着无限个束缚态。

他的同事们都认为这个猜测有点荒谬,可数学推导证实年轻的叶菲莫夫说的没错。年复一年,理论学家们都在尝试推翻叶菲莫夫的猜测,然而他们的努力拔苗助长,反而一再证明了叶菲莫夫猜测的正确性。但问题是科学家还是没能在实验中观测到叶菲莫夫效应,因为观测该效应所需要的技术当时还不存在。事实上,这也是为什么玻色—爱因斯坦凝结态(BEC)的理论猜测与实验实现相隔了那么久的原因。早在二十世纪二十年代,爱因斯坦和印度物理学家玻色就已经预言了该现象,但直到1995年科学家们才第一次在实验中观测到。

超冷原子气:叶菲莫夫效应的敲门砖

我们都知道所有物质都有波粒二相性。常温下,热点新闻事件,原子更像一个个弹球,互相碰撞,撞上墙壁也会弹回来。温度越低,原子的速度也越小。当温度充足低,即达到绝对零度以上十亿分之一度时,若原子摆列的密度充足大,波的属性就能表现出来了。不同的物质波能够“感应”到对方,而且互相协同,仿佛一个巨大的“超原子”一样。这就是玻色-爱因斯坦凝结态。

BEC最早由埃里克·康奈尔(Eric Cornell)和卡尔·威曼(Carl Wieman)实现。他们同时使用了激光和磁场来实现对原子的冷却。他们用激光阱冷却了约一千万个铷原子,这些原子由一个磁场囚禁在一起。

但此时原子的温度还是不够低,因此他们又使用了另一项技术——“挥发制冷”技术。该技术控制磁场,精确地将温度最高的原子剔除,这样温度较低的其他原子就可以聚得更紧了。其工作原理和天天早上的咖啡慢慢变凉是一样的原因,温度较高的原子会升至磁阱的顶部,并像蒸汽一样“逃离”磁阱。

1995年6月5日上午10∶54是物理学上的一个历史性时刻,这一刻,威曼和康奈尔对约2000个铷原子实现了BEC,今日热点新闻,并持续了15—20秒。之后不久,麻省理工学院的一位物理学家沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)也在本身的实验室实现了BEC。这三人于2001年共同获得了诺贝尔物理学奖。

事实上,玻色-爱因斯坦凝结态的实现对观测叶菲莫夫效应有着庞大意义,因为BEC开创了一个新的领域——超冷原子气。自此之后,科学家们最先研究超冷原子气的各种属性。科罗拉多大学的克里斯·格林(Chris Greene)和他的同事最早提出:超冷原子气正是在实验上观测到叶菲莫夫效应的敲门砖。

实验观测,温度到底要多低?

1999年,激光冷却技术的先驱者——诺贝尔奖得主朱棣文最先在斯坦福大学尝试实现叶菲莫夫态。但即使将温度降至百万分之一开尔文,样本的温度还是太高了。

末了挑战成功的是澳大利亚物理学家鲁道尔夫·格里姆(Rudolf Grimm)。2005年时,他在西雅图的一个钻研会上碰到了叶菲莫夫,网络热点,产生了验证叶菲莫夫效应的爱好。格里姆在茵斯布鲁克大学(University of Innsbruck)的小组将三个铯原子放置于真空室中,并用激光制冷技术和挥发制冷技术将温度降至接近绝对零度的华氏-459.6 F(译注:约等于-273.1111℃)。

这里用到的技术几乎和实现BEC所用的一模一样。如果BEC没有在过去十年风靡物理学界,叶菲莫夫的希罕猜测可能一直都没法验证了。

在和叶菲莫夫相遇后的一年内,格里姆的小组就在实验室中观测到了叶菲莫夫效应。他们用的一个小技巧就是将气体控制在刚好快凝结的边沿状况,不让它进入BEC态。

实验结果最令人激动的一点可能是人们发现叶菲莫夫效应具有普适性——任何三个粒子在超低温下都可能出现叶菲莫夫态。因此很自然的,该发现开创了一个对物理学家而言令人激动的新领域:彼此作用的少体系统(仅有三个或四个粒子的系统,如原子核)的量子物理。其原因是相对于另外现象,叶菲莫夫态是研究“少体系统”的上佳素材。

2010年,格里姆的学生Cheng Chin成功观测到了一个混合叶菲莫夫态。这个系统同时包罗了低温下的铯原子和锂原子。不外物理学家们最想看到的其实是叶菲莫夫当年猜测的另一个现象:所谓的“叶菲莫夫三聚体”应该可以在更大标准上出现。茵斯布鲁克大学的研究组找到的是最小标准的叶菲莫夫态,按叶菲莫夫的计算,下一个标准应该能达到22.7倍大。

为什么这个现象这么难观测到呢?是因为标准的变革还会带来另外影响。当系统的温度高于叶菲莫夫三聚体的结合能时,三聚体将马上离散开来。这意味着想要得到第二小的叶菲莫夫三聚体,所需要的温度还得更低,至少也得是本来的五百一十五分之一才行(临界温度和标准因子的平方成反比)。茵斯布鲁克大学的研究组利用一种新的阱,做到了这点。他们测得的标准系数是21.0,和叶菲莫夫的猜测值十分接近。

亚原子标准上操控物质最根本属性或能实现

窥见原子版三体世界中的量子效应

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