物理學：量子與粒子之間也存在交通堵塞？科學頭條網

德國科學家在超冷量子體系中發現令人驚訝的運輸現象。

諸如導熱或導電性的傳輸特性對於材料的技術應用是非常重要的。特別地，電導率源於固體中電子的行為並且非常難以預測。特別是在強相關電子的情況下，當每個單電子的位置和動力學受到所有其他電子的行為的強烈影響時，這是正確的。

光學晶格中的超冷原子可以用作模型系統，允許在清潔和良好控制的環境中研究類似物過程，其中所有相關參數可以通過外部激光和磁場來操縱。Immanuel Bloch教授（慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universität大學和Garching馬克斯普朗克量子光學研究所）的科學家與Achim Rosch教授（科隆大學）的理論小組合作，現已證明了系統的動力學被困在光學晶格中的超冷鉀原子對粒子相互作用強度的影響非常強烈（Nature Physics 8,213-218）。這種研究為電導率等特性提供了新的見解，超導或磁性，可能有助於開發具有“定製”特性的材料。

通過疊加幾個激光束產生所謂的光學晶格。所得到的週期性光結構類似於簡單固態晶體的幾何形狀。實際上，在絕對零度以上幾納米開爾文的溫度下，被困在這樣的人造晶格中的原子經歷與在固態系統中作用於電子的力相似的力。然而，關於它們的動力學，只有費米子原子的行為與電子完全相同，電子也是費米子。如果它們恰好在同一時間位於相同的位置，則這些粒子必須在至少一個量子特性上不同。另一方面，Bosonic粒子更喜歡聚集在完全相同的量子狀態。

在實驗中，在激光束和磁場的幫助下，將費米子同位素鉀-40的原子冷卻到極低的溫度。然後將它們裝入如上所述的光學晶格中。最初，蛋盒狀晶格結構的邊緣向上彎曲（參見圖1，紅色和綠色代表原子的不同自旋狀態），並且粒子位於中心，具有恆定的密度分佈。隨後，突然消除了外部限制區域 - 負責晶格的向上彎曲。蛋盒變平，粒子云開始膨脹。現在，物理學家們確切地監測了擴張過程中密度分佈的變化。

該實驗裝置的一個重要特徵是使用所謂的Feshbach共振，這使得可以通過幾乎任意的磁場改變原子之間的相互作用。這適用於標誌 - 有吸引力或令人厭惡 - 以及互動的力量。實際上，可以完全關閉交互。在這種情況下，原子不會彼此“看見”。它們不受阻礙地穿過晶格，它們的速度僅取決於晶格深度。在這種自由膨脹期間，雲的對稱性從球形初始密度分佈變為方形對稱性，其由晶格的對稱性控制（圖1，左）。

一旦存在小的相互作用，原子就會相互碰撞和“阻礙”，從而使雲的膨脹速度降低。對於更大的相互作用，越來越多的原子“保持”在雲的核心中，這仍然是球形的。對於非常強的相互作用，高密度核心的動態定性地改變：基本上冷凍的核心通過發射粒子溶解並因此縮小尺寸，類似於融化的冰塊（圖1，右）。

令人驚訝的是，只有相互作用的幅度，而不是重要的標誌。觀察到的膨脹動力學對於排斥和吸引人的相互作用是相同的，只要它們具有相同的強度即可。“吸引力和排斥性相互作用之間的這種對稱性是這些晶格系統的一個有趣特徵，”該實驗項目負責人Ulrich Schneider博士解釋說。“在自由空間中，與相反符號的相互作用會產生相反的效果。在這裡，它們可以導致遠程原子的量子力學糾纏，並允許產生“正常”或“排斥”的束縛粒子對。“

以前在光學晶格中使用費米子原子的實驗集中在平衡系統的性質上。相反，科學家在這裡觀察到不平衡系統中原子的動力學。這些測量是朝著更好地理解凝聚態物質中的電子運動邁出的重要一步。物理學家希望這些知識能夠解釋固態物理學和材料科學中的複雜現象，從而解釋出新的定製材料。