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超冷原子

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超冷原子是將原子保持在一個極低溫的狀態(接近絕對零度,0K),一般來說其典型溫度在百納開左右。在這樣的低溫狀態下,原子的量子力學性質變得十分重要。要到達如此低的溫度,則需要好幾種技術的配合使用。首先將原子囚禁於磁光阱中,並用雷射冷卻預冷。一般也需要再利用蒸發製冷,以達到更低的溫度。最近,麻省理工學院也有通過雷射冷卻直接達到量子簡併物態英語Degenerate matter的研究成果報導[1][2]

當原子被降到足夠低的溫度時,他們將會處於一種新的量子物態。對於玻色型原子氣會產生玻色-愛因斯坦凝聚;對於費米型原子氣,則形成簡併費米氣。由於原子間存在交互作用,實際上絕大多數原子在低溫下的基態是形成固體(除了He3和He4,由於較大的零點能,常壓下始終為液體),因此這類原子氣實際上處於亞穩態。但是當原子氣足夠稀薄,碰撞機率足夠小,這種亞穩態可以比較長時間的存在。無論是費米子還是玻色子,如果原子間相互為吸引作用,上述原子氣所描述的狀態將會失穩而塌縮。對於費米型氣體,某種原子間的吸引作用可能形成類似超導當中的庫伯(Cooper)對,而形成新的基態。

實驗上,冷原子被用於研究玻色-愛因斯坦凝聚(BEC),超流,量子磁性,多體系統,BCS機制,BCS-BEC連續過渡等,對理解量子相變有重要意義。冷原子也被用於研究人工合成規範場,使得人們可以在實驗室中模擬規範場,從而在凝聚體體系中輔助驗證粒子物理的理論(而不需要巨大的加速器)。冷原子可以被精確的操控,可以用於研究量子資訊學,冷原子系統是實現量子計算的眾多方案中非常有前景的之一。[3][4]

參考文獻

  1. ^ Jiazhong Hu; Alban Urvoy; Zachary Vendeiro; Valentin Crépel; Wenlan Chen; Vladan Vuletić. Creation of a Bose-condensed gas of 87Rb by laser cooling. Science. 24 Nov 2017, 358 (6366): 1078–1080 [2020-08-03]. doi:10.1126/science.aan5614. (原始內容存檔於2020-10-01). 
  2. ^ Solano, Pablo; Duan, Yiheng; Chen, Yu-Ting; Rudelis, Alyssa; Chin, Cheng; Vuletić, Vladan. Strongly Correlated Quantum Gas Prepared by Direct Laser Cooling. Physical Review Letters. 2019-10-24, 123 (17): 3401 [2020-08-03]. doi:10.1103/PhysRevLett.123.173401. 
  3. ^ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain. Quantum simulations with ultracold quantum gases. Nature Physics: 267–276. Bibcode:2012NatPh...8..267B. doi:10.1038/nphys2259. 
  4. ^ Altman, Ehud; Brown, Kenneth R.; Carleo, Giuseppe; Carr, Lincoln D.; Demler, Eugene; Chin, Cheng; DeMarco, Brian; Economou, Sophia E.; Eriksson, Mark A.; Fu, Kai-Mei C.; Greiner, Markus; Hazzard, Kaden R. A.; Hulet, Randall G.; Kollar, Alicia J.; Lev, Benjamin L.; Lukin, Mikhail D.; Ma, Ruichao; Mi, Xiao; Misra, Shashank; Monroe, Christopher; Murch, Kater; Nazario, Zaira; Ni, Kang-Kuen; Potter, Andrew C.; Roushan, Pedram; Saffman, Mark; Schleier-Smith, Monika; Siddiqi, Irfan; Simmonds, Raymond; Singh, Meenakshi; Spielman, I. B.; Temme, Kristan; Weiss, David S.; Vuckovic, Jelena; Vuletic, Vladan; Ye, Jun; Zwierlein, Martin. Quantum Simulators: Architectures and Opportunities. arXiv:1912.06938 [cond-mat, physics:physics, physics:quant-ph]. 2019-12-20 [2020-08-03]. (原始內容存檔於2021-05-08). 
  • Bloch, Immanuel (2008). "Quantum Gases". Science 319 (5867): 1202. Bibcode:2008Sci...319.1202B. doi:10.1126/science.1152501