太空站造出重要量子态凝聚物

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【大纪元2020年06月18日讯】(大纪元记者张妮编译)科学家首次在国际空间站(ISS)的冷原子实验室中造出了玻色-爱因斯坦凝聚物(Bose-Einstein Condensate),维持的时间比地面长,并看到了它和地面玻色-爱因斯坦凝聚物一些不同的特性。

理论认为,物质达到绝对零度的时候所有的原子将处于完全静止的状态。在非常接近这个温度的状态下,原子将处于最低能的状态,移动速度非常缓慢,大量原子重叠在一起,组成一团高密度原子云,科学家把物质的这种状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态。

这种状态下,整体物质的行为就像一个“超级原子”。这对量子学的研究很有用。因为量子特性在原子层面易于观测,大量的研究必须观测单个原子,而观测玻色-爱因斯坦凝聚物提供了观测大规模物质量子特性的机会。

在地面,科学家用激光冷却、磁场和蒸发冷却的方法结合造出玻色-爱因斯坦凝聚物。在最后一个步骤中,将原子禁锢在一个磁阱内,利用无线电波使其中能量最高的粒子蒸发,留下最冷的原子组成冷凝物。

一旦这一步完成,磁场即被关闭,科学家可以对冷凝物进行实验。但是在地面上,由于原子间的排斥力,原子将快速分开,这个状态维持的时间非常短,只有几十毫秒。

可是在失重的环境下,引力的影响减小,使得玻色-爱因斯坦凝聚态维持的时间可以超过1秒。而且冷凝物可以在一个比地面环境中更浅的实验皿中生成,更方便观察冷凝物形成的前后状态。

这份研究,在2018年太空站内将软金属铷原子冷却到100纳米开尔文的基础上,将铷原子冷却到仅比绝对零度高1纳米开尔文的低温,看到了太空中的玻色-爱因斯坦凝聚物内有一些地面上不一样的现象。

研究人员发现一些松散的铷原子聚集在磁阱边上,形成一圈晕轮般的铷原子云,而在地面,引力总是把它们拉离磁阱。研究者称,这可以作为将来对极冷物研究可用的潜在材料。

科学家在考虑下一步对它们进行哪些研究,比如尝试地面无法实现的磁阱形状,了解是否展现不同的量子特性。

此外,玻色-爱因斯坦凝聚物的波形函数特性对用于测量基本物理常数的原子干涉仪也有潜在用途。

这项研究近期发表在《自然》(Nature)期刊上。◇

责任编辑:朱涵儒

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