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国际空间站首次创造出「物质的第五态」,量子世界探索新路径

本文作者:肖漫 2020-06-18 18:13
导语:Nature:这是一个技术里程碑。

25 年前,人类首次创造出物质的第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate,BEC)。

由此,这一量子态便成为了量子物理学研究的重要工具。

25 年后,科学家们在国际空间站中再次创造出 BEC,并在国际空间站中进行试验研究,首批研究结果已在《Nature》发表,题为“Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab”。

国际空间站首次创造出「物质的第五态」,量子世界探索新路径

雷锋网(公众号:雷锋网)注:图片截自 Nature

物质第五态

在日常生活中,物质通常有四种形态——气态、液态、固态和等离子态;而玻色-爱因斯坦凝聚态则是区别于前四种形态的第五种物质状态。

这是一种奇特的物质状态,它是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。

也就是说,当温度足够低,原子运动速度足够慢时,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

国际空间站首次创造出「物质的第五态」,量子世界探索新路径

雷锋网注:图源 wikipedia

1995 年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在 170 nK 的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。

与其它日常物质形态相比,BEC 非常不稳定,只要脱离实验室,与外界接触,就会发生相互作用使它们加热到超出临界温度,从而分解为单一的原子状态。

基于此,BEC 要在现实中得到应用,还尚需时日。

不过,科学家们对 BEC 的探索从未停止。

BEC 研究,从地面到太空

在 BEC 首次被发现之后,世界各地有近百个实验室对其展开了研究。

2016 年 5 月,来自澳大利亚的研究团队还首次使用人工智能制造出了玻色-爱因斯坦凝聚。在此项实验中,AI 主要起到调节温度以及防止原子逃逸的激光束的作用。

尽管有多个研究在开展,但始终面临着一个难以避免的阻碍——地球重力。

前面提到,这是一种特殊的物质形态,但形成这一形态的“超级原子”十分脆弱,地球重力会干扰固定 BEC 观察位置所需的磁场,容易使 BEC 消失,因此在地球实验室中很难对其进行深入了解。

为了不让原子在重力作用下随着能量而运动,科学家们将目光移至太空领域。

2017 年,德国物理学家在太空中启动了 MAIUS 1 实验,将碱金属原子冷却转化为玻色-爱因斯坦冷凝物的专门装置搭载于火箭发射至太空,再利用返回地球前的失重状态对其进行研究。

不过,这一过程仅有几分钟的时长,对研究的帮助仍十分有限。于是,科学家们直接将实验室发送至国际空间站。

2018 年,NASA 喷气推进实验室的物理学家 David Aveline 创建了冷原子实验室,并将其安置于国际空间站中,以此展开对 BEC 的研究,研究结果已于 6 月 11 日发表至《Nature》。

国际空间站创造出 BEC

国际空间站首次创造出「物质的第五态」,量子世界探索新路径

雷锋网注:图源 Science

在冷原子实验室中,红色激光会将具有相同数量质子和电子的玻色子原子固定在一定位置,将其冷却到接近绝对零度。

原子被逐渐冷却后会凝结成越来越致密的原子云,同时,该实验装备利用线圈产生磁场,以此用来捕获原子,使其陷入“磁陷阱”中,便于观察。

值得说明的是,虽然在极度低温的条件下原子不会轻易移动,但一旦原子间产生了排斥作用,就会导致原子云爆炸,BEC 也会在几秒钟内被稀释而无法继续进行试验。

因此,为了顺利推进研究,就必须削弱原子云的膨胀速率。

研究人员发现,在地球上,要降低原子云的膨胀速率需要加深磁陷阱,以此来对抗重力影响。而在国际空间站中则不需要,由于重力微弱,即便是浅浅的磁陷阱也能够产生 BEC。

国际空间站首次创造出「物质的第五态」,量子世界探索新路径

另外,研究指出,基于国际太空站的微重力环境,研究人员对 BEC 的研究也能够持续更长时间。比如说,在太空中,研究人员有 1.1 秒的时间能够观察磁陷阱中释放的原子;而在地球上的观测时间仅有 40 毫秒。

开启 BEC 探索新机遇

无疑,该研究对了解 BEC 这一物质状态具有正向意义。 

研究人员指出,在轨道上成功创造出 BEC,这不仅为量子气体研究以及原子干涉测量带来新机遇,也为执行更宏大的任务铺平了道路。

在论文的摘要中,研究人员也指明了任务方向,主要包括对微重力特有的阱拓扑、原子激光源、少体物理和原子波干涉测量的寻路技术的长期研究。

对此研究,德国航空航天中心量子技术研究所的莉萨·韦尔纳评价道:

能够在在轨道上研究 BEC 将帮助科学家进一步了解基础物理学,也让新的、更灵敏的量子测量手段更具备可能性。怎么强调这项实验对科学界的重要意义都不过分。

除了在研究技术层面带来的惊喜,物理学家们此前指出,通过对 BEC 的进一步了解,或许还能够揭开包括暗能量在内的一些神秘现象的重要线索。


参考资料:

【1】https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6#ref-CR1

【2】https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate

【4】https://www.sciencenews.org/article/weird-quantum-state-matter-bose-einstein-condensate-space-station

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