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“量子龙卷风”标志着从经典物理学到量子物理学的关键“交叉”

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据New Atlas报道,宇宙受两套看似不相容的物理学定律的支配--在我们的尺度上有我们习惯的经典物理学,而在原子尺度上则是奇怪的量子物理学世界。麻省理工学院(MIT)的物理学家们现在已经观察到了原子从一个切换到另一个的时刻,因为它们形成了有趣的“量子龙卷风”。


在我们对世界的日常理解中似乎不可能的事情,在量子物理学中是完全可能的。例如,粒子基本上可以同时存在于多个地方,或通过隧道穿过障碍物,或在遥远的距离上即时分享信息。

当粒子相互作用时,会出现这些和其他奇怪的现象,但令人沮丧的是,经典物理学的总体世界会干扰并使其难以研究这些脆弱的相互作用。放大量子效应的一种方法是将原子直接冷却到绝对零度以上的一小部分,创造出一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚物(BEC)的物质状态,它可以在更大的、可见的尺度上表现出量子特性。

在这项新研究中,麻省理工学院的团队就是这样做的,以研究所谓的量子霍尔流体。这种奇怪的物质类型是由被困在磁场中的电子云组成的,它们开始以不寻常的方式相互作用,产生量子效应。研究人员用大约一百万个超冷的钠原子造出了BEC,而不是电子,因为电子在这个系统中太难看清楚了。


“我们想,让这些冷原子的行为就像它们在磁场中的电子一样,但我们可以精确地控制,”该研究的通讯作者Martin Zwierlein说。“然后我们可以直观地观查到单个原子在做什么,看看它们是否遵守同样的量子力学物理。”

研究小组将这团原子放在一个电磁陷阱中,然后以每秒100次的旋转速度将它们旋转起来。这团原子伸展成一个长针状,变得越来越细--这时原子就转变成了量子行为。

针状结构首先开始像蛇一样来回弯曲,然后它分成了不连续的片段。这些片段仍然在旋转,形成了一个奇怪的结晶图案,研究小组将其描述为一串“量子龙卷风”。这种行为完全由原子之间的相互作用所支配,并可能对量子和经典力学产生一些有趣的影响。

Zwierlein说:“这种演变与中国的一只蝴蝶如何在这里创造一场风暴的想法相联系,这是因为不稳定因素引发了湍流。在这里,我们有量子‘天气’:流体,只是从它的量子不稳定性,分裂成这种较小的‘云和涡流’的晶体结构。而能够直接看到这些量子效应是一个突破。”

这项研究发表在《自然》杂志上。

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