物理學：物質波的量子動力學揭示了奇異的多體碰撞！
在極低的溫度下，原子會聚集成所謂的玻色愛因斯坦凝聚體，形成相干的激光狀物質波。由於原子之間的相互作用，基本的量子動力學出現並引起物質波場的週期性崩潰和復甦。
由Immanuel Bloch教授（德國Garching的馬克斯普朗克量子光學研究所）領導的一組科學家現在已經成功地瞭解了原子相互作用的“幕後”，揭示了這些量子動力學的複雜結構。通過在光學晶格中生成數千個微型BEC研究人員能夠在很長一段時間內觀察到大量的崩塌和復甦週期。實驗結果意味著原子不僅成對地相互作用 - 如通常所假設的那樣 - 而且還同時進行涉及三個，四個或更多原子的奇異碰撞。一方面，這些結果對於理解量子多體系統具有根本重要性。另一方面，它們為基於這種多體相互作用產生新的奇異物質狀態鋪平了道路。
該實驗首先將數十萬個原子的稀薄雲冷卻至接近絕對零度（約-273攝氏度）的溫度。在這些溫度下，原子形成所謂的玻色 - 愛因斯坦凝聚體（BEC），這是一種量子相，其中所有粒子都佔據相同的量子態。現在光學晶格疊加在BEC上：這是一種由光線組成的人造晶體，具有周期性排列的亮區和暗區，由不同方向的駐波激光光的疊加產生。這種晶格可以看作原子分佈在其上的“蛋盒”。而在真正的雞蛋盒中，每個部位要麼被一個雞蛋佔據，要麼沒有雞蛋，每個格子位置的原子數量由法律確定。量子力學：根據晶格高度（即激光束的強度），單個晶格位置可以同時被零個，一個，兩個，三個和更多個原子佔據。
這些“原子數疊加態”的使用是研究人員開發的新型測量原理的關鍵。原子數狀態的動力學可以與擺動擺的動力學進行比較。由於不同長度的鐘擺具有不同的振盪頻率，因此同樣適用於不同原子數的狀態。“然而，這些頻率是通過原子間碰撞來修改的。如果只存在原子之間的成對相互作用，代表各個原子數狀態的鐘擺將同步擺動，它們的振盪頻率將是兩個相互作用原子的擺頻的精確倍數” ，實驗研究生塞巴斯蒂安威爾解釋說。
使用棘手的實驗裝置，物理學家能夠跟蹤不同疊加振盪隨時間的演變。週期性干涉圖案一次又一次地變得可見和消失。從它們的強度和週期性來看，物理學家們發現了明確的證據，即頻率實際上不是兩體情況的簡單倍數。“這真讓我們感到驚訝。我們意識到一個更復雜的機制必須起作用”，Sebastian Will回憶道。“由於它們的超低溫度，原子佔據了能量最低的可能量子態在每個格子站點。儘管如此，海森堡的不確定性原理允許他們在碰撞過程中通過能量較高的量子態來實現虛擬繞行。實際上，這種機制會產生奇異的碰撞，同時涉及三個，四個或更多的原子。”
“ 自然 ”雜誌上報道的結果提供了對微觀粒子之間相互作用的更好理解。這可能不僅具有基本的科學意義，而且可以直接應用於光學晶格中的超冷原子。由於特殊的實驗可控性，超冷原子在光學晶格中可以形成“量子模擬器”來模擬凝聚態物質系統。這種量子模擬器有望幫助理解超導或量子磁學背後的物理學。此外，由於每個晶格位置代表用於產生外來量子態的微型實驗室，使用光學晶格的實驗裝置可能變成用於觀察原子碰撞的最靈敏的探針。
閱讀更多 強於天下先 的文章
