发布日期 2020-06-12

国际空间站有个极冷“冰箱”,科学家用它制备第五种物质形态

原标题:国际空间站有个极冷“冰箱”,科学家用它制备第五种物质形态

我们熟知的物质形态有固态、液态和气态。1879年,科学家们发现了带负电的电子和带正电的离子共存的等离子态。1924年,爱因斯坦预言当一团原子冷却到接近绝对零度时,会出现一种奇特的新状态。

这第五种物质形态——玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)自1995年被美国科学家制备成功后,就一直成为研究量子力学的重要实验室工具。

6月11日,根据发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文,美国加州理工学院(Caltech)一个团队成功把玻色-爱因斯坦凝聚态搬上了国际空间站。太空中的微重力环境使这种奇异状态的奇异性得以更充分地展现。

为什么说它奇异?在量子力学的视角下,每个单个粒子都具有波粒二象性,可以被描述为一种物质波。而当一团原子冷却到超低温度,它们都落入最低的能量态上,分享相同的物质波,宛如一个整体。

既是一团原子,又是一个“超级原子”;既是宏观,又是微观。

这团原子云横跨了由量子力学支配的微观世界和经典物理支配的宏观世界,为科学家们洞察物理学的基本性质提供桥梁。不过,要想在地表实验室里对这种宏观量子态进行精确测量,会受到重力作用的干扰。

原来,制备玻色-爱因斯坦凝聚需要磁场做一个陷阱困住这些原子,然后再用射电波段的光把能量最高——即最“热”的那部分原子赶出去,留下较“冷”的原子在更低的温度下达到平衡状态。不断重复上述过程,一团冷原子就形成了。

然而,要对它们进行测量及实验,就不得不把它们从陷阱里先放出来。放出来后,原子间产生不可避免的斥力,导致极端的时间内,原子云就会扩张,玻色-爱因斯坦凝聚大大地稀释。

因此,要点在于尽量快地把原子团从陷阱里取出来。

喷气推进实验室(JPL)项目科学家罗伯特·汤普森(Robert Thompson)及同事发现,如果在微重力条件下制备玻色-爱因斯坦凝聚,陷阱可以比地表实验室做的更“浅”,取出来也就更容易,还可以制备“泡泡”形的特殊陷阱。

地表(上排)和太空(下排)的深陷阱、浅陷阱和泡泡陷阱。

于是,他们通过对设备体积、重量、能效和可靠性的提升,将一个“超级冰箱”——冷原子实验室送上国际空间站。

在宇宙中这方人为开辟的最冷小天地里,研究人员制备玻色-爱因斯坦凝聚。关闭陷阱后,原子团盘旋并能被测量的时长超过了1秒,而地表实验室中的玻色-爱因斯坦凝聚一般只能维持几十毫秒。这大大提高了测量准确性。

此外,在微重力条件下,原子能被较弱的力捕捉,从而可能达到较低的温度,此时奇异的量子效应就会变得愈加明显。

这些初步实验表明,太空冰箱将助力未来的超冷原子气体研究。“在太空中成功制备出玻色-爱因斯坦凝聚,为研究量子气体和原子干涉创造了新机会,也为未来执行更加宏大的任务铺平了道路。”德国莱布尼兹大学的Maike Lachmann在《自然》同期发表的“新闻与观点文章”中评价道。例如,相关技术的发展可以用于检验自由落体的普遍性和暗能量理论。

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