在量子领域将水变成冰？让量子材料在“动力学

当你把一盘水放入冰箱时，会逐渐冻结成冰块。现在，科罗拉多大学博尔德分校和多伦多大学的科学家利用超冷原子云实现了类似的转变。在发表在《科学进展》期刊上的一项研究中，该研究团队发现，可以推动这些量子材料在“动力学阶段”之间发生转变本质上是在原子行为方式完全不同的两种状态之间跳跃。该研究的合著者安娜玛丽亚雷伊说这种现象发生得很突然，就像在水变成冰的相变。

但与冰箱里的那盘冰块不同，这些相并不处于平衡状态。相反，随着时间的推移，原子在不断地变化和发展化。这些发现为我们提供了一扇新的窗口，让我们了解到在实验室里难以研究的材料。例如，如果想设计一个量子通信系统，把信号从一个地方发送到另一个地方，一切都会失去平衡，如果想把我们所知道的应用到中，这种动力学将是需要理解的关键问题。科学家们以前在超冷原子中也观察到类似转变，但只是在几十个带电原子或离子中。

相比之下，现在将研究对象转向了由数万个不带电或中性费米电子原子组成的云。费米原子是元素周期表中“内向”的元素，它们不愿意与其他原子共享空间，这使得它们在冷原子实验室更难控制。研究报告的合著者、多伦多大学(University of Toronto)物理学教授约瑟夫蒂威森(Joseph Thyissen)说我们真的是在一个新领域里徘徊，不知道会发现什么。为了探索这一新领域，研究人员利用了中性原子之间确实存在的弱相互作用但只有当这些原子在有限的空间内相互碰撞时才会发生。

，Thyissen和研究团队将一种由中性钾原子组成的气体冷却到绝对零度以上几度。接下来，调整原子，使它们的“自旋”都指向同一个方向。这种自旋是所有原子的自然属性，有点像地球磁常一旦所有原子都排好队，研究小组就会对它们进行微调，以改变它们相互作用的强度，这就是有趣的地方。用一种磁场进行实验，原子以一种方式跳舞，后来又用不同的磁场进行了实验，原子以完全不同的方式跳舞。在最初的舞蹈中（或者当原子几乎没有相互作用时）这些粒子陷入混乱。

原子自旋开始以它们自己的速度旋转，并迅速地指向不同的方向。想象一下，你站在一个房间里，里面有成千上万个时钟，秒针都以不同的速度滴答作响。但这只是故事的一部分。当这个群体增强了原子间相互作用的强度时，他们就不再表现得像无序的个体，而更像是一个集体。换句话说，它们的旋转仍然滴答作响，但滴答是同步的。科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)物理学研究生、新论文的主要作者之一何佩茹(Peiru He)说在这个同步阶段，原子不再独立。

它们彼此感觉到了对方，这种互动将促使他们彼此结盟。通过正确的调整，研究小组还发现，它还可以做其他事情调回时间，使同步和无序的阶段都恢复到初始状态。，研究人员只能维持这两种不同的物质动力学阶段约0.2秒。如果能延长这段时间，或许能进行更有趣的观察。为了看到更丰富的物理学，继续更深入的研究，可能需要等待更长时间。