在量子领域将水变成冰？让量子材料在动力学

当你将一汪水放入冰箱，你会看到它逐渐冻结成冰块。而如今，科罗拉多大学博尔德分校和多伦多大学的科学家们利用超冷原子云完成了类似惊人的转变。他们在《科学进展》期刊上分享了一项研究，揭示了他们是如何观察到这些量子材料在“动力学阶段”间跳跃的——这本质上是在原子层面两种截然不同的状态间转换。这种现象的描绘，如同安娜玛丽亚雷伊所描述的那样，就像水瞬间转变为冰的相变一样突然。

不同于冰箱里的冰块，这些相变展示的是一种动态平衡的状态，原子随着时间的推移不断演变和发展。这些发现为我们打开了一扇新的窗户，让我们能够窥探那些在实验室环境下难以研究的材料。设想一下，如果你正在设计一个量子通信系统，让信号从一个地方跃迁到另一个地方，环境的动态变化会让一切都失去平衡。要想将这些理念应用到实际中，理解这些动力学就成了关键。尽管科学家们之前在超冷原子中观察到了类似的转变，但这些转变主要发生在少量的带电原子或离子中。而现在，研究者们将焦点转向了由数万个中性费米电子原子组成的云。这些费米原子是元素周期表中的“内向”元素，它们不愿意与其他原子共享空间，因此在冷原子实验室中更难以操控。多伦多大学物理学教授约瑟夫蒂威森表示，这项研究真正让我们进入了一个全新的领域，充满了未知和可能。为了这个领域，研究者们利用了一个事实：中性原子间确实存在弱相互作用，但这种相互作用仅在有限的空间内发生碰撞时才会发生。蒂威森和他的团队将一种由中性钾原子组成的气体冷却至接近绝对零度的温度。然后调整这些原子的“自旋”，让它们指向同一方向。一旦所有原子的自旋排列整齐，研究者们会微调它们之间的相互作用强度。这个过程十分有趣：他们使用磁场进行实验，原子以一种方式运动；然后更换磁场，原子则呈现出完全不同的舞蹈方式。在初始阶段（即原子几乎没有相互作用时），这些粒子显得混乱无序。想象一下成千上万的时钟在房间内滴答作响，每个时钟的速度都不同。这只是故事的一部分。当这群原子的相互作用强度增强时，它们开始表现得像一个同步的集体，而不是无序的个体。何佩茹解释道在这个同步阶段，原子不再独立行动；它们开始感受到彼此的存在并开始同步旋转。研究团队还发现可以通过调整这种互动让系统回到最初的状态。然而研究者们仅能维持这两种物质动力学阶段大约0.2秒的时间。如果能延长这个时间窗口或许能观察到更多有趣的现象和更丰富的物理世界的发展过程但要想更深入的研究可能需要等待更长的时间。这是一个全新的领域充满了挑战和机遇科学家们期待着未来在这个领域取得更多的突破和发现。