量子物理实验:只要6 颗粒子就能够使粒子间产生集体行为

在各别原子开始集体行为之前,到底需要多少颗粒子?根据一项新研究,这个数字非常地低。只要低达6颗原子就能够在适当的情况下开始转变为一个宏观系统。藉由使用特别设计的极冷激光阱(laser trap ),物理学家观察了从正常转变成超流体相(superfluid phase )的量子前驱物,提供了方法来研究集体原子行为出现的时机及宏观系统的极限。

量子物理实验:只要6 颗粒子就能够使粒子间产生集体行为

宏观下的物质

多体物理(many-body physics)是试着描述并了解多个粒子的集体行为的领域,比方说一桶水或一罐气体。人们可以藉由物质的密度或温度来描述它们,而这些特性是物质作为一个整体而表现出来的。

这些物质被称作宏观或多体系统,而我们无法仅藉由研究各别原子或分子的行为来了解它们。反之,它们的行为来自粒子间的互动,而当各别地看这些粒子时,这些粒子不具有作为整体系统而论的相同性质。

无法以微观角度来描述的宏观行为的一些例子包括集体激发(collective excitations),例如在晶格中振荡原子的声子(phonon)。相转变是另一个例子,也就是当一个物质从一个相转变成另一个相,例如当冰融化成液体、或液体蒸发为气体。

物理学家长期以来都在寻求了解这些集体行为是如何从各别粒子逐渐靠在一起而出现,也就是宏观现象是如何从微观现象出现。所以一组来自海德堡大学(University of Heidelberg)的研究团队就设计了一个实验来试着找出解答。

实验设计

这个实验包括了一个用来「捕捉」锂的稳定同位素(锂6)的极冷原子的紧密聚焦的激光光束。当在气体中冷却至绝对零度以上的几分之一度时,这个费米子的同位素表现如同超流体,也就是零黏度的液体。

激光阱当中,很小数量的锂原子可被容纳,而有效地成为量子行为的模拟器。在这个系统当中,该研究团队能够使用费什巴赫共振(Feshbach resonances)来调整原子之间的互动。当两个互动原子的能量以分子束缚态(bound state)进入共振,费什巴赫共振就会发生,而该些共振能够被使用来改变粒子间的互动强度。

在每一个实验中,研究团队将两个、六个、或12 个锂6 原子引入了激光阱中,让研究人员能够观察原子何时开始以集体地方式表现。主要研究员卢卡·拜哈博士(Luca Bayha)解释到:「一方面,此系统中的粒子数量少到足够以微观的方式描述这个系统;另一方面,集体的效果已经很明显。」

在原子位于激光阱的状态下,研究人员调整了阱,从零互动到很强的吸引力,让原子以束缚对的状态结合在一起。这是形成费米超流体的必须条件,即费米粒子必须以表现像玻色子(boson)的库柏对(Cooper pairs)方式结合在一起,其中玻色子是一种在比起费米子更高的温度下形成超流体相的较重粒子。

结果与未来发展

在每一个实验中,团队根据粒子的数量以及它们之间的互动强度来研究集体行为何时出现。而研究人员发现粒子的激发不仅只与它们之间的吸引力强度有关,也跟库柏对从量子相的少数体(few-body)前驱物转变成超流体相有关。

物理学家马文·荷顿博士(Marvin Holten)说:「我们实验令人惊讶的结果是,仅要六个原子就能显示我们预期在多体系统中观察到的所有相转变的特征。」

研究团队表示,研究人员所获得的控制程度将会对未来其他研究有用,例如研究量子系统中的热化(thermalisation)过程。此外,他们还将能够在基本水平上进行费米超流体的探测,并研究更大系统中库柏对的出现。

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