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量子物质突破:调谐密度波

密度波的插图。学分:哈拉尔德·里奇,因斯布鲁克大学/洛桑联邦理工学院。

洛桑联邦理工学院的科学家发现了一种在原子气体中产生称为“密度波”的晶体结构的新方法。这些发现可以帮助我们更好地理解量子物质的行为,这是物理学中最复杂的问题之一。这项研究于近日发表在《自然》杂志上。

“冷原子气体在过去以'编程'原子之间相互作用的能力而闻名,”EPFL的Jean-Philippe Brantut教授说。“我们的实验使这种能力翻了一番。他们与因斯布鲁克大学的Helmut Ritsch教授团队合作,取得了突破,不仅可以影响量子研究,还可以影响未来的基于量子的技术。

密度波

长期以来,科学家们一直对了解材料如何自组织成复杂结构(如晶体)感兴趣。在量子物理学的神秘世界中,粒子的这种自组织可见于“密度波”,其中粒子将自己排列成规则的、重复的模式或顺序;就像一群穿着不同颜色衬衫的人站成一排,但图案中没有两个穿着相同颜色衬衫的人并排站立。

密度波在各种材料中都可以观察到,包括金属、绝缘体和超导体。然而,研究它们一直很困难,特别是当这种顺序(波中粒子的模式)与其他类型的组织(如超流动性)一起发生时——这种特性允许粒子在没有阻力的情况动。

值得注意的是,超流动性不仅仅是理论上的好奇心;对于开发具有独特性质的材料(例如高温超导性)或构建量子计算机,它具有极大的兴趣,这可能导致更有效的能量转移和存储。

用光调谐费米气体

为了探索这种相互作用,Brantut和他的同事创造了一种“单一费米气体”,这是一种由锂原子冷却到极低温度的稀薄气体,原子经常相互碰撞。

然后,研究人员将这种气体放置在光学腔中,这是一种用于将光长时间限制在狭小空间中的装置。光学腔由两个面向的镜子组成,镜子在它们之间来回反射入射光数千次,允许光粒子(光子)在腔内积聚。

在这项研究中,研究人员利用空腔使费米气体中的粒子长距离相互作用:第一个原子会发射一个光子,该光子反弹到镜子上,然后被气体的第二个原子重新吸收,无论它与第一个原子有多远。当足够的光子被发射并重新吸收时 - 在实验中很容易调整 - 原子集体组织成密度波模式。

“原子在费米气体中直接相互碰撞的组合,同时长距离交换光子,是一种相互作用极端的新型物质,”布兰图特说。“我们希望我们在那里看到的东西将提高我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。

其他贡献者包括洛桑联邦理工学院量子科学与工程中心。

更多信息:让-菲利普·布兰图特,具有光子介导相互作用的单一费米气体中的密度波排序,《自然》(2023 年)。DOI:10.1038/s41586-023-06018-3。返回搜狐,查看更多

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