人們早就知道,與同性電荷相斥的常識相反,固體中的電子在低溫下傾向於配對,從而在不加熱導線的情況下導電,這種現象稱為超導性。
超導性被用於在磁共振成像(MRI)機器中產生高磁場等。該現象涉及玻色子(如配對電子之類的粒子)的凝聚,這些粒子以相同的量子狀態同步跳舞。這種獨特的物質狀態被稱為玻色-愛因斯坦凝聚(BEC),與我們熟悉的固體、液體或氣體不同,可用於製造原子雷射器和更精確的原子鐘。上週,德國斯圖加特大學的蒂埃裡·拉海領導的一個物理學家團隊在《自然》雜誌上報道說,他們創造了一種鉻原子的BEC,這些原子像微型磁鐵一樣在基本上無限的距離上相互作用。透過這樣做,原子可以形成傳統相互作用不可能實現的奇異物質狀態,例如流動性比液體更好的固體,以及像棋盤上的方塊一樣排列自身的原子。
為了同步起舞,玻色子需要透過某種相互作用“感受”彼此。自從1995年首次從鋰、銣和鈉等玻色鹼金屬原子中產生BEC以來,這種相互作用一直是短程的(有效範圍不超過幾個奈米)以及各向同性的:原子就像微小的球,因此它們沒有任何“正面朝上”,並且從各個方向看起來都一樣。但是物理學家一直都知道,其中一些原子的行為像微型磁鐵,當然,磁鐵有正面朝上;將兩個磁鐵放在一起,將其中一個翻轉過來,吸引力就會變成斥力。因此,問題一直是:是否可以用像微型磁鐵一樣相互作用的原子形成BEC?
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問題在於,任何原子-原子相互作用的偶極(磁性)部分總是比各向同性(球狀)部分小得多,後者在任何BEC中都占主導地位。幸運的是,透過將原子放在電磁鐵旁邊並調節磁力,可以調整各向同性部分的強度,甚至可以將其從吸引力變為斥力(反之亦然)。
研究人員說,另一個問題是,鹼金屬原子(形成BEC的主要候選者)是非常弱的磁鐵。可以透過選擇玻色原子(例如,鉻52)來解決這個問題,該原子例如,磁性強度是鋰的六倍。
因此,拉海的研究小組將鉻52原子捕獲在雷射束內,將它們置於磁場中,並改變磁場,直到各向同性相互作用變得非常弱,以至於偶極部分成為主導。純粹由於偶極相互作用,鉻原子形成了一個持續幾毫秒的BEC,並且當陷阱被釋放時,顯示了密度峰值,這是BEC的有力證據。
拉海說,除了與方向相關之外,“偶極相互作用比僅延伸到幾個奈米的各向同性相互作用要長得多”。理論家已經預測,在存在這種長程相互作用的情況下,原子會形成奇異的量子相,例如超固態(其中一些原子無阻力地流動)和所謂的棋盤相(其中原子佔據已存在晶格中的每個其他位置)。
萊斯大學的實驗學家蘭德爾·休利特說:“這是理論家多年來一直在討論的事情……而最終實驗學家正在趕上。”他也是最早產生BEC的科學家之一。