科学家们将两层超冷磁原子压扁到彼此距离不到50纳米的范围内——比以前的实验近10倍——揭示了以前从未见过的奇异量子效应。
科学家在5月2日发表在《科学》杂志上的一项新研究中报告说，这些原子的极端接近将使研究人员首次能够在这种长度尺度上研究量子相互作用，并可能导致超导体和量子计算机的发展取得重要进展。
不寻常的量子行为开始在超冷的温度下出现，因为原子被迫占据尽可能低的能量状态。“在纳米开尔文体制下，有一种叫做玻色爱因斯坦凝聚体的物质，其中所有的粒子都表现得像波一样，”麻省理工学院的物理学家、该研究的主要作者李杜告诉《生活科学》。“它们基本上是量子力学的对象。”
这些孤立系统之间的相互作用对于理解超导和超辐射等量子现象尤为重要。但这些相互作用的强度通常取决于分离距离，这可能会给研究这些影响的研究人员带来实际问题;他们的实验受限于能接近原子的程度。
“在冷实验中使用的大多数原子，如碱金属，必须有接触才能相互作用，”杜说。“我们对镝原子很感兴趣，因为它们可以通过偶极子-偶极子相互作用(相邻原子上部分电荷之间的弱引力)在远距离上相互作用。但是，尽管存在这种远程相互作用，仍然有一些类型的量子现象无法实现，因为这种偶极子相互作用太弱了。”
在保持对其量子态的控制的同时使冷原子接近是一个重大的挑战，直到现在，实验的限制使研究人员无法完全测试这些量子相互作用效应的理论预测。
杜说:“在普通的实验中，我们用光捕获原子，这受到衍射极限的限制——大约500纳米。”(相比之下，根据国家纳米技术倡议，人类头发的宽度在8万到10万纳米之间。)
通过透镜聚焦激光束，研究人员可以创造一个“高斯焦点”，它就像激光束内的能量阱，可以捕获特定的原子。这被称为光镊，但镊子的大小(能量阱的宽度)受到激光波长的限制。这个最小宽度称为衍射极限。
杜的团队想出了一个聪明的方法来突破这个衍射极限，利用镝原子的另一个量子特性:自旋。原子自旋可以指向上或下，但关键是，它们的能量略有不同。这意味着该团队可以使用两种不同的激光束，以略微不同的频率和偏振角度分别捕获镝原子的自旋向上和自旋向下。
“如果原子A看不到光B，原子B也看不到光A，它们基本上是独立控制的，”他解释说。“由于原子总是精确地位于高斯光束的中心，你可以将[两个不同的捕获粒子]任意靠近。”通过仔细控制两个光学镊子，杜的团队将自旋向上和自旋向下的镝原子置于彼此之间50纳米的范围内，将相互作用强度从500纳米水平提高了1000倍。
随着双层结构的建立，研究小组开始了一系列近距离研究量子相互作用的实验。他们加热了其中一层镝层，这一层镝层与另一层镝层通过真空间隙完全分开。令人难以置信的是，他们观察到热量传递到真空中的第二层。
“通常情况下，你需要接触或辐射来传递热量，而我们这里没有，”杜说。“但我们仍然看到了热传递，这一定是由于远距离偶极子-偶极子相互作用。”
看似不可能的热传递只是研究小组研究的奇怪效应之一。现在，他们渴望在这个尺度上进一步探索量子相互作用的潜力。该小组已经开始研究这些双层结构如何与光相互作用。但杜对另一种量子效应特别感兴趣，称为巴丁-库珀-施里弗(BCS)配对——一些亚原子粒子费米子在低温下经历的一种量子束缚态。“层之间的BCS配对对超导性非常重要，”他说。“几年前，一篇理论论文预测，如果我们有这种双层系统，通过远距离偶极子-偶极子相互作用耦合，就可以形成BCS对。以前我们无法通过实验看到这一点，但现在我们的系统可以实现这一点。”
