它出現在超導體、原子核和中子星等各種物體中。幾個研究小組正在競相在實驗室中用微小的超冷氣體斑點重新創造它。如果他們成功,這將使人們能夠對迄今為止屬於理論家領域的過程進行實驗研究。“它”是一種超流體物質狀態,據預測,當通常相互躲避的量子粒子配對並像一個單一的流體體一樣集體行為時,就會發生這種情況。
這種超流體狀態涉及一類廣泛的稱為費米子的量子粒子。根據量子力學,自然界中的所有粒子要麼是玻色子,要麼是費米子。這兩類粒子的獨特特徵在極低的溫度下最為突出:玻色子會聚在一起,形成玻色-愛因斯坦凝聚態。相反,費米子則表現得像個人主義者,沒有兩個佔據相同的量子態。隨著溫度降低,費米子越來越多地佔據最低能量狀態,但它們像擁擠在狹窄樓梯上的人們一樣,一個狀態只能容納一個費米子。這種狀態,其中大多數最低能量狀態都被一個費米子佔據,被稱為簡併費米氣體。
1999年,科羅拉多州博爾德市的 JILA 的 Deborah S. Jin 和 Brian DeMarco 在磁阱中用微小的鉀原子雲產生出第一個原子簡併費米氣體。但這種簡併氣體只是故事的一半。在液氦3和超導體中電子的類似簡併系統中,會發生一些新的事情——一些費米子形成稱為庫珀對的對。這些對是玻色子的,然後形成非常類似於玻色-愛因斯坦凝聚態的超流體狀態:在氦 3 中,它負責液體的超流體特性;在超導體中,它允許電流無電阻流動。
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是否可以在氣態費米子系統中製造出這種超流體狀態?理論預測,原子庫珀對通常只會在遠低於簡併所需溫度的溫度下形成,這溫度似乎超出了目前實驗的範圍。然而,最近有人提出了一種替代方法,該方法基於庫珀配對不僅取決於溫度,還取決於原子之間的相互作用這一事實。那麼,為什麼不增加相互作用而不是使氣體更冷呢?大自然巧妙地提供了一種方便的方法來調整相互作用——透過施加強度恰好合適的磁場來產生所謂的費什巴赫共振,這會在原子之間產生強大的吸引力或排斥力。(需要一個有吸引力的力來形成庫珀對。)
2002 年末,杜克大學 John E. Thomas 領導的一個小組使用這些技術對鋰 6 原子進行了處理,得出了高度暗示超流體的結果。被捕獲的氣體形成一個細長的圓柱體,當捕獲雷射束關閉時,氣體沿徑向膨脹形成一個圓盤形狀——沿圓柱體軸向幾乎沒有膨脹。這種各向異性膨脹先前已被預測為超流體狀態的標誌。
然而,正如杜克大學小組指出的那樣,其他效應也會產生這種各向異性膨脹。事實上,今年早些時候,Jin 小組和巴黎高等師範學院的 Christophe Salomon 及其合作者進行的實驗在不存在超流體的情況下也表現出類似的各向異性膨脹。
需要一種直接檢測庫珀對或超流體的方法。Jin 以及麻省理工學院的 Wolfgang Ketterle 小組最近報告說,他們使用無線電波研究了捕獲簡併氣體中原子的精確狀態;如果存在庫珀對,那麼這些對的結合能應該會清晰地顯示出來。這兩個小組都沒有看到庫珀對的跡象,但都揭示了費米子原子在費什巴赫共振附近相互作用的有用新細節。
幾個小組最近研究了氣體中鬆散結合的雙原子分子的形成。“我們希望我們可以將[分子]變成庫珀對,”Ketterle 說。 8 月,理論家 Yvan Castin 及其在高等師範學院的合作者提出瞭如何做到這一點:首先讓分子玻色凝聚,然後調整費什巴赫共振。如果真是這樣,實驗人員距離他們的目標僅兩步之遙。