圖片來源：傑弗裡·麥圭爾克 |
研究人員早就知道，原子可以進行一種被稱為自旋波的奇異技巧——量子力學中相當於體育觀眾的“人浪”——透過改變其磁場旋轉的方向。但是，這種奇特行為的證據一直侷限於透過核磁共振成像進行的間接探測。現在，科羅拉多大學諾貝爾獎得主埃裡克·康奈爾實驗室的科學家們首次拍攝到了自旋波在空間中起伏的影像。這些發現可能有助於開發具有極高密度記憶體的超高速“自旋電子”計算機。
“在某種奇怪的程度上，這幾乎就像原子們在相互交談以集體行動，即使一個原子可能與另一個原子相隔數千個原子直徑，”首席研究員傑弗裡·麥圭爾克評論道。為了觀察自旋波，麥圭爾克和物理學家希瑟·萊萬多夫斯基以及戴夫·哈伯首先用一團銣原子冷卻到略高於絕對零度的溫度。然後，他們將超冷氣體原子以棒狀結構磁性排列，長度僅為 400 微米，大約是人類頭髮寬度的四倍。
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原子就像帶有南北極的小磁鐵一樣，可以沿其軸線向一個方向或另一個方向旋轉。“它們都開始指向一個方向，但由於量子力學的怪異性，我們開始看到這些小波紋，”麥圭爾克報告說。“這就像人們在做人浪。你可以說一端指向上方的磁鐵就像站起來的人，另一端的磁鐵就像坐下的人，而中間的磁鐵則指向中間的某個位置。”（左圖顯示了平行於外部磁場的銣氣體中的自旋波；右圖顯示了垂直於外部磁場的自旋波。紅色表示波正在“向上”旋轉——即與磁場對齊；藍色表示它正在向下旋轉，或逆著磁場。）
提交給《物理評論快報》發表的這些發現表明，透過調整磁場強度和雲密度，研究人員可以控制自旋波的演變並拍攝每個階段的快照。這些結果應有助於科學家更好地理解量子力學的奇異、模糊的世界，隨著電子裝置變得越來越小，量子力學將變得越來越重要。