本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。
玻色-愛因斯坦凝聚是物質的宏觀量子相，只有在非常特殊的條件下才會出現。更多地了解物質的這些階段可以幫助研究人員更好地理解基本的量子行為，並可能為未來的量子技術做出貢獻。
來自科羅拉多州立大學的研究人員凱特·羅斯和加文·海斯特在能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）探測一種叫做矽酸鐿的物質。羅斯認為，矽酸鐿是唯一一種基於稀土元素的磁性材料，它顯示出玻色-愛因斯坦凝聚的證據，可能是理解其他基於稀土元素的磁鐵中量子現象的關鍵。通過用中子探測矽酸鐿的樣品，羅斯希望能繪製出這種獨特的玻色-愛因斯坦凝聚態的詳細地圖，然後利用這張地圖通過識別其他磁性材料中奇異的量子態來驗證她的假設。羅斯和她的合作者在《物理評論快報》雜誌上發表的論文中討論了他們的發現。
羅斯說：「如果我們能更好地理解我們在這種材料中看到的玻色-愛因斯坦凝聚體，那麼我們就有可能利用這一知識在其他基於稀土元素的磁性材料中發現類似的多體量子態。」
羅斯解釋說，玻色-愛因斯坦凝聚體，也被稱為BEC相，是一種量子流體，其中的粒子不再像單個實體那樣活動，而是像波一樣在單個統一系統的結構上相互同步移動。它不同於任何固體、液體、氣體或等離子體，只在接近絕對零度下出現。科學家們對這種獨特的物質狀態仍有許多需要了解的地方，但人們希望有一天它的獨特性質會對先進材料有所貢獻。
「在玻色-愛因斯坦凝聚體和當前的量子技術提議之間沒有直接聯繫。但關於這種材料的行為，我們還有很多要了解，而回答這些量子現象的基本問題將是未來科學成就的基礎。」海絲特說。
首先，人們一直認為，基於稀土元素的磁性材料中不會出現玻色-愛因斯坦凝聚，因為這些特殊的磁相互作用似乎不夠各向同性，不足以出現BEC相。但是，在過去的實驗中觀察到矽酸鐿中BEC相的證據後，羅斯和她的團隊懷疑這個假設可能是錯誤的。
「當我們看到BEC階段的證據時，我們真的很驚訝。這表明，鐿是一種比我們先前認為的更為廣泛的成分，用於形成許多體量子態。」羅斯說。
為了更好地理解矽酸鐿承載BEC相的能力，羅斯在ORNL實驗室的散裂中子源(SNS)上使用了冷中子斷片光譜儀(CNCS)，在高通量同位素反應堆(HFIR)上使用了固定入射能量三軸光譜儀(FIE-TAX)來探測矽酸鐿的結晶樣品。在阿貢國家實驗室和國家標準與技術研究所進行了補充X射線和中子散射測量。
這些實驗已經進行了近4年。羅斯的研究小組在2015年首次開始種植矽酸鐿樣品，並繪製出這種材料的行為圖。與他們的合作者一起，他們使用了科羅拉多州立大學和加拿大舍布魯克大學的各種探測器來首次觀察這種物質的行為，但他們渴望使用中子散射來探測他們的樣品。
海斯特說：「中子具有很強的穿透力，當它們穿過我們的樣品時，它們會攪動這些湧現的量子粒子，這樣我們就可以準確地測量這些粒子在矽酸鐿微觀結構中的行為。」
為了準備中子散射的樣品，羅斯和她的合作者必須切割和排列每一個單獨的晶體，使每個晶體都朝向同一個方向。此外，羅斯不得不將她的矽酸鐿樣品暴露在磁場中，並使用一個特殊的冷卻室將其冷卻到-272.9°C，這比星際空間還要冷，而且非常接近絕對零度。
羅斯說：「把這個實驗放在一起需要做很多工作，但我們得到的數據絕對值得努力。」
羅斯和赫斯特希望他們的工作不僅能揭示出矽酸鐿的BEC相的獨特性，而且能讓研究人員更好地理解以稀土元素為基礎的其他磁性材料中普遍存在的量子現象。
「我們當然有興趣了解更多關於矽酸鐿BEC階段的具體情況，但我們希望我們在這裡學到的東西也能幫助我們的同事在稀土材料中發現更多的量子態。這種基本的理解對於形成未來量子技術的材料平臺至關重要。」羅斯說。