冷原子超流的精彩历程:中国潘建伟团队再增异彩

作者: 科普中国

来源: 中国科普博览

发布日期: 2016-11-01 07:16:40

中国科学技术大学上海研究院潘建伟及其同事在国际上首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体,并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这一成就得到了诺贝尔物理学奖得主的赞赏,并标志着中国在超冷原子研究领域的重大突破。

9月27日,中国科学技术大学上海研究院潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等在国际上首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体,并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这篇文章在正式发表前,已经得到了诺贝尔物理学奖得主克特勒和莱格特爵士的赞赏。这篇文章背后的实验,可是大天才Sheldon Cooper(谢耳朵)都十分重视的。

《生活大爆炸》第九季第六集里,谢耳朵听说有个瑞士团队要跟他们抢做这个实验,可是都要急疯了!然而谢耳朵没想到的是,这个“超流体涡旋实验”(业内更通俗的说法是涡旋实验,而非字幕里的旋涡实验)已经被中国科大的超冷原子团队做出来了。

今天,我们给大家解释一下量子涡旋的原理和其光辉的发展史:量子涡旋是超流性最为迷人而又本质的体现,也是其最直接的证据。想要了解量子涡旋,首先我们来学习一下什么是超流体。

1937年,前苏联物理学家卡皮查将玻色液氦-4的温度冷却至2.17 K以下,神奇的现象出现了,液氦迅速地流过了0.5 μm宽的玻璃狭缝,他将这种没有粘滞性的流体称之为超流。超流现象的发现意义重大,因其是一种可与超导媲美的宏观量子效应,掌握其性质可以帮助我们更好的理解新物理世界中的各种现象。

接下来,李、奥谢罗夫、理查孙等人成功地将液氦-3冷却至2.5 mK以下,并首次观测到了费米液体的超流性,获得1996年诺贝尔物理学奖。

20世纪40年代,物理学家昂萨格、郎道、费曼等人在理论上发现了量子涡旋。什么是量子涡旋呢?我们都知道,用木棍在水中搅动就会形成旋涡,停止搅拌,旋涡就渐渐消失了。可是超流体就不太一样,首先,它不是一搅动就会有旋涡,也不是什么搅拌棒都可以的。

现在超流涡旋研究的主流是用激光作为“搅拌棒”,用光子作为容器(光阱),将超冷原子放置其中,开始搅拌。只有达到了某个临界速度,超流体才会开始出现涡旋,当继续匀速或加速“搅拌”,奇妙的现象发生了,在超流体的表面开始出现了多个涡旋,并且随着搅拌数量不断增加,最后成为像这样蜂窝煤一样的状态。

由于这些涡旋的排列遵循能量最低原理,即用最低的能量保持其涡旋状态,所以这些涡旋会自发的排成非常规则的形状——这就是量子涡旋。

1995年,康奈尔、维曼、克特勒等人利用超冷原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚即玻色超流体后,科学家们逐渐将目光投向可控性更高、纯净性更强的超冷原子,利用其研究超流体的各种性质。

2005年,克特勒小组又利用锂原子实现了费米超流,并观测到量子涡旋晶格,确切的实验证明了费米超流的存在。2011年,潘建伟、陈宇翱等人的超冷原子小组开始搭建实验室,尝试实现质量不平衡的玻色-费米双超流体。经过五年的努力,他们终于搭建出了一套在国际上领先的、可以同时冷却操控锂和钾原子的实验平台,利用独创的“碟片交叉光阱”,国际首次实现质量不平衡的玻色-费米双超流体。

团队还设计了极其精巧的光学装置,产生了两束直径为20 μm、可以对称地围绕双超流体转动的激光,如同搅拌咖啡用的勺子,使得超流体随之旋转起来。利用他们创造性发展的能够同时对双组份原子进行高分辨成像的技术,通过精密调节旋转激光的位置、光强、频率等参数,最终成功地产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶格。

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