編者注:5月中旬,《大眾科學》將公佈今年《大眾科學》10位重要人物的獲獎者。從4月13日開始,每週一,我們將介紹一位此前《大眾科學》50位獲獎者。 《大眾科學》50年:2004
獲獎原因:創造了一種新型的物質狀態,可能有助於我們更好地理解超導體。這些材料在接近絕對零度到“溫暖”到大約-170華氏度(-112攝氏度)的溫度下,對電流的電阻會完全消失。有一天,超導體可能會成為效率極高的電力線和電子裝置的材料,但這種實用、室溫版本的開發依賴於對它們更冷表親的量子力學特性的更好理解。
為了做到這一點,科學家們希望將亞原子粒子排列成模仿超導體的狀態。這一直是一項艱鉅的任務:研究人員花了70多年的時間才將寒冷的玻色子——它與費米子一起,是構成宇宙中所有已知可見物質的基本粒子——誘導成一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的排列,該排列以物理學家阿爾伯特·愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色命名,他們於1924年對其進行了預測。
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然後,在2003年末,美國國家標準與技術研究所物理學家黛博拉·金的團隊使用雷射和磁場穩定並冷卻鉀原子,直到它們形成第一個所謂的費米子凝聚態。在這兩種凝聚態中,原子共享相同的量子態並表現出相同的行為。金說,從這個意義上講,物質的凝聚態類似於超導體中發生的情況,在超導體中,費米電子相互耦合,克服了它們同電荷的排斥力,從而自由流動。
她的工作進展:金說,“我們仍在研究它”,她還是科羅拉多大學博爾德分校(U.C.B.)的物理學教授。金說,她和她的同事們並沒有積極地為他們的發現尋求應用。但是,作為費米子凝聚態的創造者,她可能會有大事在等待著她,正如《大眾科學》在2004年指出的那樣:“早期玻色-愛因斯坦凝聚態的製造者已經因他們的成就獲得了諾貝爾獎,而金似乎註定最終也會這樣做。”
她現在正在做什麼:金仍在繼續她的量子力學研究,保持冷靜——但這一次,她透過超冷卻分子而非單個原子提高了賭注。金指出,“冷卻分子比冷卻原子困難得多。”
她和U.C.B.的同事物理學家Jun Ye最近成功地製造了一種由超冷鉀和銣極性分子組成的氣體,其溫度接近金之前觀察到費米子凝聚態的量子區域。正如極性分子的名稱所暗示的那樣,它們具有帶相反電荷的區域,使分子能夠在不直接接觸的情況下“感覺到”並相互作用,就像靠在一起的磁鐵一樣,金說。從這個意義上講,它們也有些像自然排斥的電子,除非它們在超導狀態下達到量子和諧。
金製造這些新的、非自然的物質狀態的目標之一是設計簡單的模型,以幫助闡明現實世界中更復雜的量子系統的不可預測性。金說,“超冷原子的一個好處是,你可以把它們看作是你可以玩轉量子力學的模型系統。”
她的工作進入了所謂的多體物理學領域,該領域旨在理解多重相互作用粒子的湧現特性。金說,“當存在大量粒子時出現的行為在技術上是相關的”,這對於超導體和量子計算概念都是如此。在總結這個物質的量子謎團時,她說:“10萬個原子所做的不是一個原子所做的10萬倍。”