世界上最快生成的玻色-愛因斯坦冷凝物

2021-01-15 量子認知

科學家們現在以創紀錄的速度製造出了玻色-愛因斯坦凝聚物，在大約100飛秒的時間內即形成了這一令人著迷的物質相。要想知道這個速度有多快，如果以一百飛秒當作1秒鐘，那麼一天就相當於我們宇宙的年齡。

玻色-愛因斯坦凝聚是一種量子現象，其中大量粒子開始表現得就像是一個粒子一樣。愛因斯坦和玻色曾在上世紀初預言了這種迷人的行為。許多不同的系統，例如鹼原子氣體或與光耦合的半導體，已用於觀察這些冷凝物。但是，它們都沒有像現在科學家們所形成的玻色-愛因斯坦冷凝物那樣快。

由光組成的玻色-愛因斯坦凝聚物與雷射相似，特別適用於信息和量子技術。如今，網際網路的信息傳遞依賴於光的高速度。原則上，光還可以用於提供低能耗的超快速計算，但是要實現這一點，就需要突破我們對光與物質相互作用的了解的極限。

我們日常生活中會看到，潮溼的空氣中的水分子凝結在冷啤酒罐的表面上。同樣，在量子世界中，粒子必須找到一種失去能量的方法，以便凝結為最低的能量狀態。此過程通常需要數千秒到萬億分之一秒的時間。怎麼可能更快形成冷凝物？

研究人員解釋說，「在仔細分析了我們的測量數據後，我們意識到系統中的能量弛豫是一個高度受激的過程。這意味著當光子數量增加時，光子的有效相互作用從而會加速凝結。這種現象就是加快這些結果的程度速度的關鍵。」

另一個挑戰是證明凝結確實以記錄速度發生，因為即使是先進的實驗室攝像機也達不到這樣的時間解析度。研究人員說：「當我們在50飛秒內將能量泵入分子時，觀察到了凝結物。但是在300飛秒泵浦脈衝下，我們沒有看到它，這表明凝結必須更快地觸發。」

研究人員表示，「這種冷凝物產生的相干光束比兩年前在金屬納米棒陣列中觀察到的第一個表面等離激元極化子冷凝物要亮10萬倍，」如圖所示，光束中大量的光子可以清楚地觀察到愛因斯坦和玻色預測的不同能量下的光子分布。「光束的亮度使這些凝結物更易於探索基礎研究和應用的新領域。」

該最新研究結果的論文發表在最近的《自然通訊》上。

Sub-picosecond thermalization dynamics in condensation of strongly coupled lattice plasmons, Nature Communications (2020).

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