物理學家利用量子規則創造出一種新型晶體

2020-08-28 科學新聞前沿

科學家們利用雷射將鋰原子限制在真空室內的一個區域內，創造了一種基於泡利不相容原理的新型晶體。

有些粒子彼此排斥，因為它們無法呈現與其鄰元素相同的量子態。物理學家5月8日發表於arxiv.org的一份報告中指出，原子可能非常排斥重疊，以至於它們形成了一種晶體般的排列，即使它們沒有相互施加任何力。這種結構叫做泡利晶體，是量子力學規則的結果，也叫做泡利不相容原理。

科學家此前曾預測過泡利晶體的存在，但直到現在還沒有人觀察到它們。 蘇黎世理工學院的量子物理學家蒂爾曼·埃斯林格(Tilman Esslinger)說：「它教會了我們物理是多麼美好。」 實驗表明，在物理導論課上講授的一項基本原理仍有新的現象需要觀察。 「如果我寫一本教科書，」埃斯林格說，「我會把它(實驗)放進去。」

由於泡利不相容原理，原子動量中出現花形圖案。 根據所涉及的原子數量（左三右六）不同，這些結構也不同。

雖然泡利晶體本身基於已知的物理，但用於觀察它們的技術可以幫助科學家更好地理解物質的某些神秘狀態，如超導體、無阻力導電的材料或無摩擦流動的超流體。

泡利不相容原理由奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利於1925年發現，它禁止原子內的電子獲得匹配的量子屬性，如能量和角動量。 物理學家很快意識到，這一規則不僅適用於電子，還適用於一整類被稱為費米子的粒子，除了電子，費米子還包括質子、中子和許多類型的原子。 因此，費米子可以在沒有直接相互作用的情況下相互排斥。 典型的晶體由於電磁相互作用而形成規則排列，而泡利晶體則是由於這種排斥力才形成的。

「這是你能想像到的最簡單的物質狀態，」德國海德堡大學的塞利姆·約希姆(Selim Jochim)說。

約希姆和他的同事們用鋰原子創造了泡利晶體，通過雷射將其聚集成半徑約為一微米的二維區域。研究人員一次將三六個原子組成的原子群放入這個區域中。這些原子靠得太近，無法直接描繪出它們的位置，因此無法揭示出任何類似晶體的結構。相反，研究小組可以通過觀察粒子釋放時的運動軌跡來測量原子的動量。在多次重複實驗之後，研究人員在原子的動量中發現了相互關係或模式。

因為位置和動量對於這些被捕獲的粒子來說是密切相關的屬性，動量之間的關係也意味著原子形成了類似於晶體的規則空間構型。 根據區域中粒子的數量不同，粒子的動量會出現不同的花形構型。

相關焦點

  • 類永動機系統物理學家創造出時間晶體
    諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek和同事在2012年發表了兩篇預印本（一，二），從理論上闡述了一種處於基態（能量最低的狀態）的可做周期運動的系統。因其空間周期性可設想其為處於暫穩狀態的晶體。這種「時間晶體」破壞了時間平移對稱，使系統非常接近於永動機。
  • 原子世界的基本理論，物理學家創造出：創紀錄的量子運動！
    原子世界的基本理論，物理學家創造出：創紀錄的量子運動！國家標準與技術研究院(NIST)的科學家們開發了一種方法，可以使離子(帶電原子)精確地顯示量子級運動的數量——任何特定的100包能量或「量子」，是之前17包能量的5倍多。量子力學，原子世界的基本理論，指出能量被釋放或吸收在被稱為量子的小塊或包中。
  • 量子計算機的實現又邁出了一步！物理學家創造出一種新的人造分子
    看更多大美宇宙科學博科園烏得勒支、聖塞巴斯蒂安和賓夕法尼亞州的一群物理學家創造出一種新的人造分子，這種分子內部絕緣，但其角落裡有電子狀態。這些狀態具有零能量，因此，對分子中的缺陷具有彈性，並可能用作量子計算機中的量子比特，其研究結果發表在《自然材料》上。
  • 科學家發現手性晶體表現出奇異的量子效應
    在2018年10月的 一篇文章中，Hasan的團隊提出了一種理論，該理論彌合了晶體的物理手性與電子在這些晶體中的表現之間的差距，無論是量子力學的還是根據拓撲學的數學定律。研究人員驚訝地發現，所有非磁性手性晶體都具有通用的拓撲量子特性：它們的所有電子結構都具有由Weyl方程控制的帶接觸點，這是一個量子運動方程。
  • 物理學家在實驗室裡製造出86年前預言的電子晶體
    儘管如此，物理學家現在實現了這一目標——把躁動的小東西固定在一對二維半導體鎢層之間。傳統的晶體(如鑽石或石英)是由三維重複網格結構的原子晶格形成的。根據維格納的想法，電子可以類似的方式排列成固態相，但前提是電子是固定的。
  • 時間晶體—一種特殊形式的「永動機」
    物理學家計劃在稱為離子阱的設備內創建一個「時間晶體」 - 一種在不使用能量的情況下以重複模式移動的理論對象。諾貝爾獎得主、物理學家弗蘭克·威爾切克決定公開一個奇怪的、令他擔心的、有點尷尬的想法。儘管看起來不可能，但威爾切克已經提出出一個「時間晶體」的明顯證據。「時間晶體」是一種重複運動的物理結構，就像鐘錶上的分針一樣，既不消耗能量，也不會停止轉動。
  • 用時間晶體驅動超導體或帶來量子科技革命
    一組科學家建議使用時間晶體來驅動拓撲超導體。這種方法可能會創造出無誤差量子計算機。現在有消息稱，有一篇論文提出將時間晶體與拓撲超導體相結合，用於無誤差量子計算、極精確計時等方面。2012年，諾貝爾獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）和麻省理工學院的物理學家首次提出時間晶體作為假設結構。時間晶體的顯著特徵是它們可以在不消耗能量的情況下運動。
  • 物理學家創造出奇怪的「裡德堡極化子」分子
    【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】美國和奧地利物理學家利用雷射將超冷鍶原子轉化為複雜的結構，這與之前在自然界看到的結構不同。萊斯大學物理學家湯姆基利安說：我很驚訝我們發現了一種原子聚集的新方式。它表明物理學和化學定律有多豐富。
  • 物理學家首次製造出時間晶體,揭開經典對稱性最後一塊面紗
    說到晶體，大家最容易想到的便是鑽石，這些閃爍奪目的石頭是由不計其數的碳原子有序重複排列而成的。而對於物理學家而言，晶體與宇宙中的一項基本性質對稱性有關。宇宙中所有自然形成的和人造出來的晶體都不同程度地打破了空間對稱性，而現在又有一種新型晶體被人類造了出來，它除了滿足一般晶體的特徵外，還打破了時間維度上的對稱性，這就是時間晶體（time crystals ）。
  • 新型量子光源:為光學量子計算機鋪路!
    導讀據德國慕尼黑工業大學（TUM）官網近日報導，該校物理學家領導的國際團隊以僅幾納米的精度成功地將光源安放在原子薄度的材料層中。這種新方法將帶來許多的量子技術應用，從智慧型手機中的量子傳感器和電晶體到數據傳輸所用的新型加密技術。背景之前，晶片上的電路以電子作為信息載體。未來，以光速傳遞信息的光子將可以在光學電路上完成這項任務。
  • 物理學家破解了導體,絕緣體的新型量子材料,更好地用於電子設備
    物理學家破解了導體，絕緣體的新型量子材料，更好地用於電子設備。量子材料是一種奇怪的物質，通過我們的iPhone傳導電能的效率可以比常用的導體矽高很多倍 - 如果只有物理學家可以破解這些物質的工作方式。密西根大學的一位物理學家在詳細介紹一種新型量子材料 - 十二硼化鐿或YbB12方面已經向前邁進了一步，並對通過這種材料傳導電能的效率進行了成像。這種材料導電性的證明將有助於科學家了解這些電磁材料中的自旋，電荷和能量流動。YbB12是一種非常乾淨的晶體，它與導體和絕緣體的特性相同。
  • 利用全新量子顯微鏡,科學家首次觀察到納米光晶體內光的動態
    以色列理工大學近日表示，艾杜·卡米內爾教授及其團隊在量子科學領域取得了重大突破，研發出能記錄光流的量子顯微鏡，並利用它直接觀察束縛在光晶體內的光。相關研究發表在《自然》雜誌上。新的研究突破具有眾多潛在應用前景，包括設計新的量子材料來存儲具有更高穩定性的量子比特，以及幫助提高手機和其他類型顯示屏的色彩銳度。卡米內爾認為，利用極高解析度的超快透射電子顯微鏡研究更先進的納米/量子材料，將產生更廣泛的影響。例如，當今世界上最先進的屏幕使用基於量子點的QLED技術，從而在更高清晰度情況下讓色彩對比度得以控制。
  • 人類已做出全新物質形態:時間晶體!或可創造微型宇宙
    北京時間3月10日消息，據國外媒體報導，物理學家發明了一種名叫「時間晶體」的新型物質狀態，其中原子不按空間、而是按時間排列。 諾貝爾獎獲得者、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克2012年提出了時間晶體的概念，認為這種物質在四維時空中結晶成為四維晶體，可以在基態下保持周期性的運動，這種運動是它的固有屬性，永遠不會改變。
  • 人類已做出全新物質形態：時間晶體！或可創造微型宇宙
    北京時間3月10日消息，據國外媒體報導，物理學家發明了一種名叫「時間晶體」的新型物質狀態，其中原子不按空間、而是按時間排列。諾貝爾獎獲得者、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克2012年提出了時間晶體的概念，認為這種物質在四維時空中結晶成為四維晶體，可以在基態下保持周期性的運動，這種運動是它的固有屬性，永遠不會改變。
  • 物理學家設計出僅由幾百個原子組成的光學鏡面
    馬克斯-普朗克量子光學研究所（MPQ）的物理學家們設計出了最輕的光學鏡。這種新型的超材料是由一個僅由幾百個相同原子組成的單一結構層構成的。這些原子排列在由幹涉雷射束形成的光學晶格的二維陣列中。該研究成果是在最近才興起的亞波長量子光學這個有序原子新領域的首次實驗觀測。到目前為止，這種鏡子是唯一的一種。該成果今天發表在《Nature》雜誌上。
  • 半導體晶體中發現新型準粒子
    英國《自然》旗下《通訊·物理》雜誌日前發表了一項物理學新成果：德國科學家描述了一種在高質量半導體晶體中發現的新型準粒子——「Collexon」，其可以印證準粒子存在的材料所表現出的獨特光學特徵，以及不同尋常的物理特性，而這些特點對基礎科學和應用科學都非常重要。
  • 新型超薄材料可創造神秘的量子態，從而解鎖量子世界的奧秘
    sciencedaily.com網站近日報導，為創造神秘的量子態，一個由理論和實驗物理學家組成的研究團隊設計了一種新型超薄材料。這類被稱作一維馬約拉納零能量模（MZMs）的量子態可能對量子計算研究有巨大影響。相關研究成果刊登在《自然》雜誌中。量子計算機的核心是量子比特。
  • 研究快訊 | 熱力學量子物質中的虛時間晶體
    Lett. 2020, 37 (5): 050503　　文章亮點　　從理論上提出一種物理性質隨溫度振蕩的新型量子物態，即溫度晶體。　　左邊：虛時間晶體在2+1維歐幾裡得空間中的典型的世界線時空構型。右邊：該量子微觀構型在宏觀測量時展現為「溫度晶體」 （密度波序參量隨溫度振蕩）。　　熱力學量子物質中的虛時間晶體　　研究背景　　晶體是在空間具有周期對稱性的物質形態。人類對晶體的探索追溯到有文字記載以前。
  • 時間晶體的相互作用可以幫助推動衛星導航技術的發展
    科學家第一次觀察到了一個新的物質階段，即「時間晶體」相互作用。由於時間晶體會在不斷變化的條件下自動保持其結構（一種相干狀態），因此這可能會導致量子信息處理方面的新進展。而保持相干性是製造強大量子計算機的主要障礙。
  • 打破經典熱力學的極限 科學家嘗試用量子物理學改變規則
    據中國科學報12月5日報導，英國量子物理學家正在利用人造鑽石做實驗，試圖證明一種幾年前剛被理論化的效應：量子推動可使鑽石的功率輸出高於經典熱力學限定的水平。在英國牛津大學的一間實驗室裡，量子物理學家正試圖利用一小塊人造鑽石做到這一點。起初，這顆淹沒在亂七八糟的光學纖維和鏡子中的鑽石几乎不可見。不過，當研究人員打開綠色雷射器時，鑽石中的缺陷被照亮，晶體開始發出紅色的光。 在這束光線中，科學家發現了一種幾年前剛被理論化的效應存在的初步證據：量子推動可使鑽石的功率輸出高於經典熱力學限定的水平。