NASA創超低溫「玻色-愛因斯坦凝聚態」

2021-02-25 新物理

舞者同臺起舞，動作一致時，妙不可言。當溫度低到了極限，原子的運動也變得像同臺起舞者那樣同步，這種奇異的現象被稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」。為了研究它，科研人員需要將原子冷凍到僅僅高於「絕對零度」的溫度，原子的能量才能趨近最低，並接近絕對靜止狀態。

據物理學家組織網10月21日（北京時間）報導，美國國家航空航天局（NASA）冷原子實驗室（CAL）宣布，其團隊在NASA噴氣推進器研究室成功製造出玻色-愛因斯坦凝聚態，這對於在2016年底將首次亮相空間站的特殊儀器來說，是個關鍵性的突破。

冷原子實驗室的目標，是研究在特殊儀器中產生的超冷量子氣體。科學家會在空間站用這種儀器探索在沒有地心引力影響的微重力狀態下，因超冷溫度幾乎靜止、停留時間更長的原子之間如何相互作用。

玻色-愛因斯坦凝聚態在1995年被觀測到，成為有史以來最熱門的物理話題之一。凝聚態僅在宇宙絕對零度之上百萬分之一攝氏度的溫度中形成。在嚴酷的溫度條件下，量子機制控制下的原子表現異常，開始聚結、交迭並逐步同步，形成物質的全新狀態，比如同時表現出波和粒子兩種狀態。

極端溫度下對量子現象進行觀察，能驗證一些最重要的物理學基礎定律。「冷原子實驗室的地面測試平臺是NASA噴氣推進器實驗室最冷的地方，達到了200納開溫度（1開爾文溫度等於十億納開）。」該項目科學家羅博·湯普森說，雖然凝聚態在地球上很多地方都曾製造出來，但在空間站的微重力環境中，低至微微開（1開爾文等於1萬億微微開）的溫度和長時間相干狀態可能同時獲得，並將創造出從未在宇宙中觀察到的最冷物質。

這項研究厲害之處在於，能在幾秒之內就生成穩定的玻色-愛因斯坦凝聚態。冷原子實驗室的研究人員用雷射冷卻一種化學成分為銣的原子，最終他們還會加入鉀原子。除了生成凝聚態，該實驗室還提供了配套工具，用幾種不同的方法來操控和探測這些量子氣體。

這一成果豐富了我們發展精密敏感量子探測器的知識。這類量子探測器可監測地球和其他星體的地心引力，或製造更先進的導航裝備。「超冷原子同樣會影響光頻原子鐘的發展，這種原子鐘會成為未來的時間標準。」湯普森說，「NASA不僅用最先進的望遠鏡向外觀察廣袤的宇宙，也會在原子尺度上向內探索物理科學。」

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    原標題：NASA創造出超低溫「玻色-愛因斯坦凝聚態」 　　舞者同臺起舞，動作一致時，妙不可言。當溫度低到了極限，原子的運動也變得像同臺起舞者那樣同步，這種奇異的現象被稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」。為了研究它，科研人員需要將原子冷凍到僅僅高於「絕對零度」的溫度，原子的能量才能趨近最低，並接近絕對靜止狀態。
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  • 首次證明:曾不可能的超導體,超導玻色-愛因斯坦凝聚體被發現!
    但在溫度計的另一端有第五種物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)。東京大學固態物理研究所的岡崎小三副教授說：玻色-愛因斯坦凝聚態是一種獨特的物質狀態，因為它不是由粒子構成的，而是由波構成的。當它們冷卻到接近絕對零度時，某些材料的原子就會散落在太空中。這種塗抹會增加，直到原子（現在更像波而不是粒子）重疊，彼此變得難以區分。
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    博科園：本文為量子物理學類玻色-愛因斯坦凝聚態是物質的宏觀量子相，只有在非常特殊的條件下才會出現。了解更多關於物質的這些階段，可以幫助科學家更好地理解基本的量子行為，並可能對未來的量子技術做出貢獻。矽酸鐿是唯一一種基於稀土元素的磁性材料、矽酸鐿顯示出玻色-愛因斯坦凝聚態的證據，這可能是理解其他基於稀土元素的磁體中量子現象的關鍵。通過探測帶有中子的矽酸鐿樣品，研究人員希望生成這種獨特玻色-愛因斯坦凝聚體的詳細圖，然後利用該圖通過識別其他磁性材料中的奇異量子態來驗證假設，其研究發現發表在了《物理評論快報》期刊上。
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