科學家造出全新量子物質(zhì)形態(tài)
美國斯坦福大學上周宣布，他們用金屬鏑（dysprosium）造出世界上*個雙極量子費米子氣體。研究人員認為，該費米子氣體兼具晶體和超流液二者看似矛盾的特征，是一種全新的量子物質(zhì)形態(tài)。這標志著人們在理解費米子系統(tǒng)性質(zhì)，將凝聚物質(zhì)物理學中的超自然現(xiàn)象引入現(xiàn)實應用等方面，邁出了重要一步。相關(guān)論文發(fā)表在上周的《物理評論快報》上。
如果讓量子效應出現(xiàn)在宏觀世界，將有很多不可思議的現(xiàn)象，水會向上流、導線沒有電阻、電流的磁浮作用消失等。這些現(xiàn)象都和傳統(tǒng)的理論背道而馳，但在開發(fā)未來技術(shù)方面卻有著巨大前景。
量子氣體是迄今人類已知的zui冷物質(zhì)，它們的黏度為零，是一種和超流液一樣的超導體。幾十年來，費米子的量子效應一直難以理解。但如果能造出一種量子費米子氣體，那些通常只在納米水平才能觀察到的現(xiàn)象，就會變得明顯可見。
研究中zui大的兩個困難是造出64納開的低溫和生成強相關(guān)量子氣體。研究人員在坩堝中把粒子加熱到約1300攝氏度，發(fā)射到強真空中，然后用世界上zui強的持續(xù)波藍激光致冷，將粒子冷卻到千分之一零度。再通過激光和蒸發(fā)冷卻過程，zui終讓氣體溫度降到實驗所需的64納開。一般情況下，以這種方式制冷的物質(zhì)只有2個或3個能級，而鏑卻有140多個。
他們還將制冷技術(shù)用于磁性氣體，解決蒸發(fā)制冷過程中費米子不相關(guān)的問題，使得費米子間可相互碰撞，將高能粒子撞出系統(tǒng)。論文領(lǐng)導作者、斯坦福大學應用物理學教授本杰明·列夫說，鏑在周期表中是磁性zui強的元素，這次所用的鏑的一種費米子同位素，其磁能量比以前的冷卻氣體要大440倍。鏑原子間*的雙磁極作用使其能通過遠程碰撞而冷卻到臨界溫度。
研究人員指出，這種費米子氣體有望帶來量子液晶，也就是那些構(gòu)成大部分顯示器所用液晶的量子力學版；或者帶來一種超級固體，這是一種假設的物質(zhì)態(tài)，理論上這種固體具有超流液的特征。
目前，他們正在利用這種雙極量子氣體的*性質(zhì)，開發(fā)一種“低溫原子芯片顯微鏡”。這是一種磁性探測儀，能以的靈敏度和分辨率檢測磁場。這種探測儀使用外部量子材料來處理信息，能讓量子計算更穩(wěn)定。此外，該研究還為物理學家提供了理解非傳統(tǒng)量子效應的新目標。
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