科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣
美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家首次捕捉到單個(gè)原子在現(xiàn)實(shí)空間中自由相互作用的圖像，揭示了“自由運(yùn)動(dòng)”粒子之間的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)此前僅為預(yù)測(cè)，卻從未被直接觀察到。該研究成果5日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》期刊，有助于科學(xué)家將真實(shí)空間中未曾被看見過的量子現(xiàn)象可視化。
利用單原子分辨顯微鏡，由兩種原子組成的超冷量子氣體顯示出截然不同的空間相關(guān)性——左側(cè)的玻色子表現(xiàn)出聚束效應(yīng)，而右側(cè)的費(fèi)米子表現(xiàn)出反聚束效應(yīng)。圖片來源：麻省理工學(xué)院官網(wǎng)
單個(gè)原子的直徑約為十分之一納米，數(shù)百萬個(gè)原子才能排滿一根人類發(fā)絲的寬度。與發(fā)絲不同的是，原子的行為和相互作用遵循量子力學(xué)規(guī)律，正是這種量子特性使得原子難以理解。例如，人們無法同時(shí)精確知道一個(gè)原子的位置和運(yùn)動(dòng)速度。這種不確定性長(zhǎng)期以來一直阻礙著科學(xué)家拍攝運(yùn)動(dòng)中的原子，尤其是在它們相互作用時(shí)。
為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了“原子分辨顯微術(shù)”。首先，他們讓一團(tuán)原子在激光束形成的松散陷阱中相互作用；然后，他們突然打開一個(gè)光學(xué)晶格，有效地將原子凍結(jié)在原地；接著，用第二束激光照亮這些懸浮的原子，顯示它們的單個(gè)位置，而時(shí)間剛好足夠拍攝一張快照。團(tuán)隊(duì)將成像技術(shù)應(yīng)用于直接觀測(cè)玻色子和費(fèi)米子之間的量子相互作用。玻色子（如光子）之間傾向于相互吸引；而費(fèi)米子（如電子）之間則相互排斥。這種差異在新技術(shù)拍攝的圖像中清晰可見。
在低溫環(huán)境下，研究團(tuán)隊(duì)觀察到傾向于相互吸引的玻色子在一團(tuán)鈉原子云中聚集在一起，形成了玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。在這種狀態(tài)下，所有粒子共享同一量子態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了一個(gè)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，即玻色子聚集現(xiàn)象是它們能夠共享同一量子波的直接結(jié)果。
團(tuán)隊(duì)還對(duì)由兩種鋰原子組成的云團(tuán)進(jìn)行了成像，他們拍攝到了這些相反自旋的費(fèi)米子成對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，揭示了超導(dǎo)背后的關(guān)鍵機(jī)制。
團(tuán)隊(duì)表示，以單原子分辨率對(duì)連續(xù)介質(zhì)中的量子氣體進(jìn)行成像，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，也是一種解碼物質(zhì)最復(fù)雜相態(tài)的新“語言”。這項(xiàng)研究有助于設(shè)計(jì)未來的量子設(shè)備，包括傳感器、模擬器和計(jì)算機(jī)。
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