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环球科学

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原子版三体世界展现出新奇的量子效应  

2014-06-16 16:52:29|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》

Efimov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稳定地互相吸引。Efimov在多年前就在理论上预言了这个奇怪的现象,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。本文介绍了Efimov态以及相关

  

 


Borromeo环
 
在15世纪,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。关于这个纹章有很多解释,其中一个是说这三个圆环代表了Borromeo家族和另外两个家族通过姻亲结成的牢不可破的联盟,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。这个概念也常常用来描述原子或其它粒子。它是指当你拿起这三个物体中任意一个时,另外两个也会跟着一块儿动;而如果你将任意一个剪掉(移除),剩下两个则会自动分离。若三个原子也是处于这种状态,则称它们处于Efimov态。最近,Physical Review Letters上的一篇文章指出,正如原先的理论预测的那样,Efimov态是尺度可变的。
 
2007年,物理学家们在实验中首次实现了Efimov态。从原子的角度来讲,Efimov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开始强烈地互相吸引的现象。没错,和人们常说的相反,三人成伴,两人不欢!(译者注: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”,常用来委婉地劝第三个人不要干扰自己的约会。)然而,Efimov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!
 
Efimov效应由俄国科学家VitalyEfimov提出。1969年时,年轻的Efimov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奇怪的预测: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,而且有着无限个束缚态。
 
他的同事们都认为这个预测有点荒谬,可数学推导证明年轻的Efimov说的没错。年复一年,理论学家们都在尝试推翻Efimov的预测,然而他们的努力适得其反,反而一再证实了Efimov预测的正确性。但问题是科学家还是没能在实验中观测到Efimov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-爱因斯坦凝聚态(BEC)的理论预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。
 
我们都知道所有物质都有波粒二相性。常温下,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。当温度足够低(绝对零度以上十亿分之一度)时,若原子排列的密度足够大,波的属性就能体现出来了。不同的物质波能够“感应”到对方,并且互相协同,仿佛一个巨大的“超原子”一样。这就是BEC。
 

铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚态(图片来源:NIST/JILA/CU-Boulder)
 
BEC最早由Eric Cornell和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,这样温度较低的其它原子就可以聚得更紧了。其工作原理和每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,Wieman和Cornell对约2000个铷原子实现了BEC,并持续了15-20秒。之后不久,麻省理工学院的一位物理学家Wolfgang Ketterle也在自己的实验室实现了BEC。Wieman、Cornell和Ketterle三人于2001年共同获得了诺贝尔物理学奖。
 
事实上,BEC的实现对观测Efimov效应有着重大意义,因为BEC开创了一个新的领域——超冷原子气。自此之后,科学家们开始研究超冷原子气的各种属性。科罗拉多大学(University of Colorado)的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Efimov效应的敲门砖。1999年,激光冷却技术的先驱者——诺贝尔奖得主Steven Chu开始在斯坦福大学尝试实现Efimov态。但即使将温度降至百万分之一度,样本的温度还是太高了。
 

模拟Efimov效应(图片来源:Rudolf Grimm)
 
最后挑战成功的是澳大利亚物理学家Rudolf Grimm。2005年时,他在西雅图的一个研讨会上遇到了Efimov,产生了验证Efimov效应的兴趣。Grimm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,并用激光致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。假如BEC没有在过去十年风靡物理学界,Efimov的奇怪预测可能一直都没法验证了。
 
在和Efimov相遇后的一年内,Grimm的小组就在实验室中观测到了Efimov效应。他们用的一个小技巧就是将气体控制在刚好快凝聚的边缘状态,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Efimov效应具有普适性——任何三个粒子在超低温下都可能出现Efimov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:相互作用的少体系统(仅有三个或四个粒子的系统,如原子核)的量子物理。其原因是相对于别的现象,Efimov态是研究“少体系统”的上佳素材。
 
2010年,Grimm的学生Cheng Chin(如今在芝加哥大学(University of Chicago))成功观测到了一个混合Efimov态。这个系统同时包含了低温下的铯原子和锂原子。不过物理学家们最想看到的其实是Efimov当年预测的另一个现象:所谓的“Efimov三聚体”应该可以在更大尺度上出现。茵斯布鲁克大学的研究组找到的是最小尺度的Efimov态,按Efimov的计算,下一个尺度应该能达到22.7倍大。
 
为什么这个现象这么难观测到呢?是因为尺度的变化还会带来别的影响。当系统的温度高于Efimov三聚体的结合能时,三聚体将立刻离散开来。这意味着想要得到第二小的Efimov三聚体,所需要的温度还得更低,至少也得是原来的515分之一才行(临界温度和尺度因子的平方成反比)。茵斯布鲁克大学的研究组利用一种新的阱,做到了这点。他们测得的尺度系数是21.0,和Efimov的预测值十分接近。
 

图片来源:APS/Giovanni Modugno
 
假如你一直读到了这里,你可能会思考:“这些关我什么事?”这是凝聚态物理学家们常常碰到的问题。相比于别的工作(如希格斯粒子或者某种奇异中微子的发现),他们的工作不太能够得到媒体的青睐,获得公众的注意。
 
Efimov态的最新研究确实很难引起公众的兴趣,很大一部原因是因为很难说这个工作除了验证了理论预测,并启发人们去用超冷气体研究奇怪的少体系统以外还有多大意义。不过实际上,该发现很可能加深物理学家对量子力学的理解。
 
而且完全掌握Efimov效应很可能会让人在亚原子尺度上操控物质最根本的属性。若是如此,科学家们将有可能史无前例地控制并创造各种新奇的分子。受人追捧的纳米技术其实一直以来就是在摆弄物质的属性。假如类似的研究可以拓展到量子层面,这意味着人们甚至可以染指原子之间的相互作用。
 
畅想完毕,还有一个现实问题:要达到可以操纵基本属性的物质状态,需要接近绝对零度的温度才可以,而这依赖于如磁光阱一类的最前沿技术。所以暂时还是不要期待Efimov态能够让你的iPhone进化。BEC现象也是一样,这里引用Chad Orzel在2011年的一段话:
 
“目前原子BEC系统的最主要应用还是在基础研究领域,而且在相当一段时间内都会如此。有时你会听到人们把BEC当作一种印刷工具,或是类似的东西。但事实是,短期内BEC都不会有什么商业应用价值,因为太难生产了。目前还没有什么方法可以将BEC的产生速率提高至可以商业使用的程度。因此,BEC的大部分应用还是会局限于科学研究领域。”
 
我觉得同样的话也适用于Efimov态。因此假如你觉得这发现索然无味,我也可以理解。不过不管怎么说,这还是挺了不起的一个成就,有时我们也需要为这些不被欣赏的英雄喝彩。他们总是默默在聚光灯照不到的阴影下工作,即使有了重大突破也不受人追捧。他们接下来准备向更难的目标发起挑战,尝试实现第三级的Efimov态。按目前的速度,他们很有可能在十年内就攻克难关,加油!
 
作者简介:Jennifer Ouelette是一名科学作家,她擅长利用敏锐的思维找到物理学和流行文化以及世界之间的奇妙联系。你可以在推特上关注她@JenLucPiquant
 
本文仅代表作者观点,不代表《科学美国人》(撰文:詹妮弗?温莎(Jennifer Ouellette) 翻译:斑马线  审校:李想 易逸度)
 
原文地址:
http://blogs.scientificamerican.com/cocktail-party-physics/2014/05/27/threes-company-twos-a-crowd-meet-the-efimov-effect/
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