据说,古希腊数学家阿基米德在古埃及游历时,为解决用尼罗河水灌溉土地的难题,他创造了一项发明,后人称它为“阿基米德螺旋(Archimedes' screw)”。

阿基米德螺旋是一种水泵,应用螺旋机制,借着螺旋曲面绕着旋转轴做旋转运动,将水从低处传输至高处。它也是历史上第一个将水从低处传往高处,用于灌溉的机械。

“量子版”阿基米德螺旋,一维量子气体中新的物质状态-量子客
图1|利用阿基米德螺旋输送水(来源:Getty Images)

如今,由斯坦福大学物理学家Benjamin Lev[2]领导的研究人员,开发了量子版的阿基米德螺旋。它可以代替水,在不出现坍塌的前提下,将脆弱的气体原子运送到越来越高的能量状态。研究成果以“Topological pumping of a 1D dipolar gas into strongly correlated prethermal states”为题,发表在《科学》杂志上[3]。

Lev表示,他预期实验系统中,气体的稳定性只会发生细微的变化,但没有想到系统会完全稳定,这超乎了他的想象。

此次斯坦福大学的实验是在量子多体系统中,首次出现疤痕态的例子,这也是有史以来第二次在人类所处的现实世界中,观察到这种现象。

 

1. 超级稳定

Lev长期以来专门从事此类实验,扩展人类对量子多体系统中,不同部分如何达到热平衡的理解。

“量子版”阿基米德螺旋,一维量子气体中新的物质状态-量子客
图2|Benjamin Lev及其团队在研究量子系统时受到了牛顿摆的启发(来源:Stanford)

这是一个令人兴奋的研究领域,因为抵抗这种所谓的“热化”,是创造稳定量子系统的关键,这种系统可以为量子计算机等新技术赋能

实验中,研究团队对一个被称为超级唐克斯-吉拉多气体(super Tonks-Girardeau gas)的特殊多体实验系统进行了轻微调整,以探究调整后发生的变化。

超级唐克斯-吉拉多气体是一种处于高度激发态的一维量子气体,处于气态的原子仅限于在单一轨道上运动,而这些气体原子之间存在着极强的吸引力。

它们的超常之处在于,理论上来看,即使在极端外力的作用下,它们也不会坍缩为球状物质。然而,实际操作过程中,由于实验缺陷,它们还是会发生坍缩。

对镝这种强磁性元素情有独钟的Lev想知道,如果用镝原子制造出一种超级唐克斯-吉拉多气体,并改变其磁性方向会发生什么。他猜测,或许镝比非磁性气体更能抵抗坍缩现象。

“量子版”阿基米德螺旋,一维量子气体中新的物质状态-量子客
图3|原子序为66的镝元素(来源:Road & Track)

Lev表示,与气体中已经存在的相互吸引作用相比,研究人员能够添加的磁性相互作用非常微弱。因此,在知道还是会发生坍缩的情况下,团队预计系统不会产生太大改变。

然而,与他们预想的不同的是,镝原子气体系统最终转化为一种无论如何都能保持稳定的超级唐克斯-吉拉多气体

研究人员在有吸引力和排斥力的条件下,对原子气体进行翻转,将系统调整到越来越高的能态,原子依然没有坍缩

 

2. 夯实基础

虽然他们的发现目前还没有产生实际应用,但它或许可以为即将到来的量子技术革命提供驱动力。现阶段,Lev表示在量子多体系统中失衡的物理学仍然让人感到讶异。

研究人员们对量子阿基米德螺旋的研究才刚刚开始,还有许多疑问有待解决。例如如何用数学方式描述疤痕态,以及系统是否会热化和其热化方式等。

初期,学者们面对这些疑问,打算测量疤痕态下的原子动量,以建立可靠的理论来解释系统稳定运作的机制原理。

“量子版”阿基米德螺旋,一维量子气体中新的物质状态-量子客
图4|疤痕态(来源:Quanta Magazine)

此次实验结果是如此出乎意料,以至于Lev表示无法预测,对量子阿基米德螺旋进行更加深入的研究后,将会带来什么新知识。

Lev个人认为,这是他人生中极为罕见的,真正具有实验性质的研究之一,而不是对于现有理论的演示与证明。整个实验是未知的,且出乎预料的。

此次论文的合著者还包括斯坦福大学的研究生Wil Kao、Kuan-Yu Li、纽约市立大学和纽约市立大学史丹顿岛学院的教授。

这项研究受到来自美国国家科学基金会(NSF)、美国空军科学研究办公室(AFOSR)、加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)和台湾教育部奥林匹克奖学金的资助。

 

 

参考链接:

[1]https://news.stanford.edu/2021/01/14/new-state-matter-one-dimensional-quantum-gas/

[2]https://profiles.stanford.edu/benjamin-lev

[3]https://science.sciencemag.org/content/371/6526/296

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳