在实验室中，看见量子龙卷风！

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见 闵青云 选编

我们所体验的世界是由经典物理学支配的。经典物理学假设，我们在任何时刻只能存在于一个地方，这一前提决定了我们所处的位置，以及移动的方式和速度。

然而在量子世界，微观的粒子受奇怪的量子物理学支配，当它们发生相互作用时，可以表现出一系列奇怪的现象。例如，粒子可以同时处于不同的位置，也可以穿过本该不可逾越的障碍，甚至可以瞬间跨越巨大的距离与其他粒子共享信息。

想要在经典世界观察这些脆弱的相互作用是件非常棘手的事。一种放大量子效应的方法是将粒子冷却到接近绝对零度的温度，从而创造出一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚的物质状态，这种物质状态可以在更大的、可见的尺度上展现量子特性。

近日，《自然》杂志上刊登了一项新的研究表明，物理学家利用这种方法记录了原子从经典到量子行为的关键转变。

量子霍尔流体  

新论文所研究的是一种被称为量子霍尔流体的物质状态。在上世纪80年代，物理学家开始对它们进行研究。这种特殊的物质状态是由漂浮在磁场中的电子云组成的，其中的电子并不会像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以一种不同寻常的方式发生相互作用——它们会根据近邻电子的行为来调整自己的行为，产生量子效应。

在磁场中，这样的流体可以表现出各种各样的惊人特性。原因在于这些电子在磁场中会被「冻结」，它们的所有动能都会被「关闭」，只剩下纯粹的相互作用。于是，这样一个奇异的世界就出现了。但是，这样的现象很难以被观测和理解，因为在磁场中，电子的运动太过于微小。

在新研究中，研究团队想，与电子相比，原子在旋转下的运动发生在更大的长度尺度上，因此推测如果用超冷原子代替电子，让它们表现得像磁场中的电子，并且对它们进行精确的控制，那么或许就能观察到原子是否也遵循相同的量子物理学。

超冷原子构成的自旋流体

在实验中，研究团队制作出了一种由超冷原子组成的自旋流体。他们用激光捕获了大约100万个钠原子，并将它们冷却到大约100纳开尔文（nK）的温度。接着，他们用一个电磁体系统来产生一个可以限制原子的阱，将原子云置于这个电磁阱中，再以大约每秒100转的速率对原子进行集体性的快速旋转。

就像地球上天气模式的形成一样，一种由量子粒子构成的旋转流体形成了一种由漩涡状、龙卷风状结构形成的晶体 | 图片来源：Zwierlein et al. / MIT News

他们观察到大约在100毫秒后，原本一开始呈圆形的原子云开始变形成细长的针状结构。旋转仍在继续，针状结构像扭动的蛇一样来回弯曲，并且变得越来越细。当它的厚度达到临界值时，经典效应就被会抑制，只留下相互作用和量子效应主导量子的行为。这时，针状结构会自发打破，碎裂成离散的部分。这些离散部分会形成一种奇怪的结晶模式，研究人员将其描述为一串微型的量子龙卷风。

这种结晶过程完全是由原子间的相互作用驱动的，它预示着我们从经典世界进入了量子世界。因为在经典的流体中，比如香烟的烟雾，它只会不断地变薄，而不会达到一个极限；但在量子世界中，流体的厚度可以达到一个临界的极限值。当观察到这个极限时，就表明研究人员观察到了针状的流体在纯粹的旋转和相互作用的影响下演化。

量子效应的一个突破

这是对快速旋转量子气体的演化的首个直接的、原位的记录。其实，自旋原子的演化与地球的自转导致大规模的天气模式大致相似。在地球科学中，解释地球旋转效应的科里奥利效应与物理学中解释了带电粒子在磁场中的行为的洛伦兹力相似。即使在经典物理学中，这也会有这样有趣的模式形成，比如云环绕着地球螺旋运动。

现在，新的研究让我们可以对量子世界中的这种现象进行观察，研究人员观察到了流体所显现出的量子不稳定性，并由此最终形成的一种像是微型的量子龙卷风一样的结晶模式。这种演化让研究人员联想到了蝴蝶效应，那同样是种因为不稳定性而引发湍流的。在新研究中，与之对应是「量子天气」：刚具有量子不稳定性的流体的碎片，变成了更小的「云」和「漩涡」的结晶结构。能够直接观察到这些量子效应是一个突破。

参考来源：

https://news.mit.edu/2022/ultracold-atoms-quantum-0105

https://newatlas.com/physics/quantum-tornadoes-mit/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

图片来源：

封面图：DWilliam / Pixabay

首图：Zwierlein et al. / MIT News

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