中国科学家开启超冷原子量子模拟,NASA创造出超

看过解说特意找来看的。即使已经知道来龙去脉,我还是觉得很好看。凝聚态的攻击我第一时间想到的是面壁者中想出先攻击地球军让地球军变成量子态再攻击三体人的模式。感觉是异曲同工的。妙不妙就不知道了。至少让我我是不会那么高尚的。但是这类非自然的状态意味着产生和条件的极端要求。那么为什么电影里脱离环境的凝聚态们是怎么维持的?攻击运动过程中能量没有损耗吗?温度不会变化么?杀人原理不是超低温致死?那么凝聚态们的温度不就升高了吗?为什么它们可以这么贯彻执行命令?为什么它们至少那些觉得痛苦的它们不会去寻求解脱呢?好多疑问啊……但是还是值得推荐一看。

NASA创造出超低温“玻色-爱因斯坦凝聚态”

潘建伟、刘雄军、陈帅等中国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破,相关成果发表在学术期刊《科学》上,业界评论其“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

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科技日报讯 舞者同台起舞,动作一致时,妙不可言。当温度低到了极限,原子的运动也变得像同台起舞者那样同步,这种奇异的现象被称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”。为了研究它,科研人员需要将原子冷冻到仅仅高于“绝对零度”的温度,原子的能量才能趋近最低,并接近绝对静止状态。

“我们的工作仅是打开一扇门。”11日在北京举行的成果发布会上,研究者解释这是怎样的“一扇门”。

据物理学家组织网10月21日报道,美国国家航空航天局冷原子实验室宣布,其团队在NASA喷气推进器研究室成功制造出玻色-爱因斯坦凝聚态,这对于在2016年底将首次亮相空间站的特殊仪器来说,是个关键性的突破。

超冷有多“冷”?

冷原子实验室的目标,是研究在特殊仪器中产生的超冷量子气体。科学家会在空间站用这种仪器探索在没有地心引力影响的微重力状态下,因超冷温度几乎静止、停留时间更长的原子之间如何相互作用。

科学家们经过长期积累,已经掌握原子冷却技术,比如华裔科学家朱棣文开创激光冷却并捕捉原子,由此在1997年获得诺贝尔物理学奖。

玻色-爱因斯坦凝聚态在1995年被观测到,成为有史以来最热门的物理话题之一。凝聚态仅在宇宙绝对零度之上百万分之一摄氏度的温度中形成。在严酷的温度条件下,量子机制控制下的原子表现异常,开始聚结、交迭并逐步同步,形成物质的全新状态,比如同时表现出波和粒子两种状态。

超冷原子是指原子的温度接近绝对零度(零下273.15摄氏度),这时将出现玻色—爱因斯坦凝聚态,即原本状态不同的原子凝聚到同一状态。2001年诺贝尔物理学奖授予了首次从实验上实现玻色—爱因斯坦凝聚态的科学家。

极端温度下对量子现象进行观察,能验证一些最重要的物理学基础定律。“冷原子实验室的地面测试平台是NASA喷气推进器实验室最冷的地方,达到了200纳开温度(1开尔文温度等于十亿纳开)。”该项目科学家罗博:汤普森说,虽然凝聚态在地球上很多地方都曾制造出来,但在空间站的微重力环境中,低至微微开(1开尔文等于1万亿微微开)的温度和长时间相干状态可能同时获得,并将创造出从未在宇宙中观察到的最冷物质。

中国科学技术大学教授潘建伟说,冷原子具有环境干净、高度可控等重要特性。过去五年间,科学家们已在冷原子上进行一维人工自旋轨道耦合实验,并取得系列成果。

这项研究厉害之处在于,能在几秒之内就生成稳定的玻色-爱因斯坦凝聚态。冷原子实验室的研究人员用激光冷却一种化学成分为铷的原子,最终他们还会加入钾原子。除了生成凝聚态,该实验室还提供了配套工具,用几种不同的方法来操控和探测这些量子气体。

“原子自旋相当于地球的自转,轨道运动相当于地球公转。”北京大学教授刘雄军对记者说,“耦合”即相互作用。人们发现,原子自旋轨道耦合导致出现多种基本物理现象和新奇量子物态,衍生出自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等前沿领域。

这一成果丰富了我们发展精密敏感量子探测器的知识。这类量子探测器可监测地球和其他星体的地心引力,或制造更先进的导航装备。“超冷原子同样会影响光频原子钟的发展,这种原子钟会成为未来的时间标准。”汤普森说,“NASA不仅用最先进的望远镜向外观察广袤的宇宙,也会在原子尺度上向内探索物理科学。”

不过,想要探索更广泛的量子物态必须获得二维以上的自旋轨道耦合,也就是从单一链条上“某个方向运动”扩展到“在不同的方向、以不同的方式运动”。但因缺少技术手段,探索止步于“一维”。

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如何升“二维”?

刘雄军曾于2009年巧妙利用两条激光诱导原子轨道产生变化,设计出运动的理论方程式。2014年,他在前期工作的基础上突破了一维的局限,提出了易于实现的理论方案,构成了二维自旋轨道耦合系统。

以往中外科学家进行相关实验曾存在缺陷,比如光的控制相位不稳定,这对于“敏感”且需要精密可控的冷原子来说是“致命干扰”。

中国科学技术大学教授陈帅告诉中新社记者,实验小组研发出超精密激光和磁场调控技术,制备出质量好的超冷原子体系。

基于中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室的支持,研究者还得到量子模拟技术的“加持”。潘建伟说,在凝聚态物理现象研究领域的传统方法是用现实材料,但随着原子数目增加、体系愈发复杂,经典计算机已经“算不动”,只有靠量子计算出马。

有了顺手的“工具”,中国科大—北大联合团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成,从理论到实验都是“中国造”。

“门”后的世界

诺贝尔物理学奖得主杨振宁早有判断,冷原子领域的理论和实验是互相驱动,从上世纪50年代开始“理论带着实验走”,接下来实验将驱动理论发展。

打开这扇门以后,“各种奇异态都有可能出现。”潘建伟说,研究团队一方面将继续拓展理论方程式,另一方面是根据理论发展新技术,加入其它相互作用,比如发现新的拓扑相物质——2016年诺贝尔物理学奖正是为表彰科学家在物质拓扑相变方面的理论发现。

《科学》杂志评论称,潘建伟、刘雄军、陈帅等人的研究还将被其他科学家广泛应用,“也许有些小组在看到这篇文章后已经开始跟进”。

正如大部分理论研究一样,这项研究的“钱景”不会太明朗。科学家们幽默地说,签署合作协议时就与企业讲明“未来15年内没有商业价值”。但这种由企业为理论研究投资至少已为企业带来两项好处:改善形象,拥有优先转化权和专利购买权。

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