最近，麻省理工学院（MIT）的物理学家观察到了原子中从经典到量子行为的转变。在超冷原子组成的旋转流体中，经典效应被抑制，原子间的相互作用和量子力学效应占主导，驱动粒子表现出奇异的量子行为，形成一串微型“量子龙卷风”。相关成果1月5日发表在《自然》杂志上。
研究领域：量子效应，自组织，涌现
Jennifer Chu | 作者
黄泽豪 | 译者
梁金 | 审校
邓一雪 | 编辑
我们所感受到的世界是受经典物理学支配的。我们如何移动，我们在哪里，以及我们前进的速度，都取决于一个经典的假设，即我们在任何一个时刻只能存在于一个地方。但在量子世界，单个原子的行为受一个怪异的原理支配：粒子位置是一个概率事件。例如，一个原子在同一时间有一定可能性在某个位置，也有一定可能性在另一位置。
由于这些量子效应，当粒子相互作用时，许多奇异的现象随之而来。但是，在经典世界的巨大噪音中，相互作用粒子的纯量子力学行为会被淹没，很难实际观察到。不过，将原子冷却到接近绝对零度的极端低温时，单个原子嘈杂的运动会逐渐停止，转而表现得像是一个整体，形成宏观可见的量子现象。
最近，麻省理工学院（MIT）的物理学家在由超冷原子组成的旋转流体中，直接观察到了从经典到量子行为的转变。研究人员让由超冷原子组成的量子流体快速旋转。他们观察到最初为圆形的原子云首先变形为薄的针状结构。然后，当经典效应被抑制，仅留下相互作用和量子定律主导原子的行为时，针状结构自发地破裂成一种晶体模式，就像是一串微型量子龙卷风。
MIT物理学助理教授 Richard Fletcher 介绍说，这个结晶过程纯粹是由相互作用驱动的，它标志着我们从经典世界走向量子世界。
在20世纪80年代，物理学家们开始观察一种称为量子霍尔流体的新物质，它由漂浮在磁场中的电子云组成。这些粒子没有像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以一种相互关联的量子方式，根据近邻粒子来调整自身的行为。
Fletcher 解释说，“人们发现了各种惊人的特性。形成这些特性的原因是，在磁场中，电子被（经典地）冻结在原地——它们所有的动能消失，只剩下纯粹的相互作用。于是，这整个世界出现了，但它非常难以观察和理解。”特别是，磁场中的电子以非常小的运动移动，很难看到。
Zwierlein 和同事们推断，由于原子在旋转下的运动发生在更大尺度上，或许可以用超冷原子作为电子的替代品，并观察到相同的物理现象。他们让冷原子表现得像是磁场中的电子一样，但可以精确控制，然后就可以可视化单个原子的行为，看看它们是否遵循相同的量子力学规律。
将一团原子冷却到极端低温时，单个原子嘈杂的运动会逐渐停止，转而表现得像是一个整体，形成奇异的物质状态。| 来源：Jose-Luis Olivares/MIT
在新研究中，物理学家使用激光捕获了大约100万个钠原子，并将这些原子冷却到大约100纳开尔文的极端低温。然后，他们使用电磁体系统产生势阱来约束原子，以每秒约100转的速度整体旋转原子，就像碗中旋转的弹珠一样。
研究人员使用相机捕捉这团原子的图像。大约100毫秒后，他们观察到原子旋转成一个长长的针状结构，厚度达到临界量子尺度。Zwierlein 说，“经典流体，比如香烟烟雾，只会变得越来越稀薄。但在量子世界中，流体的稀薄程度会达到一个极限。”当流体达到这个极限时，就有充分理由认为，我们正在敲开有趣的量子物理学的大门。
在纯粹的旋转和相互作用的影响下，这种针状流体会有什么行为呢？研究人员发现，随着流体继续旋转，他们观察到量子不稳定性开始出现：针开始摇摆，然后变成螺旋状，最后破裂成一串旋转的斑点，或微型龙卷风——纯粹由气体旋转和原子之间的相互作用产生的一种量子晶体。
就像地球上天气模式的形成一样，量子粒子的旋转流体可以破裂成由旋转的龙卷风状结构形成的晶体。 | 来自论文
这一结果是对快速旋转的量子气体演化的首次直接的原位记录。MIT 物理学教授 Martin Zwierlein 说，旋转原子的演化与地球自转形成大规模天气模式的方式大致相似。 “解释地球自转效应的科里奥利效应，与解释带电粒子在磁场中行为的洛伦兹力类似。即使在经典物理学中，这也会引起有趣的模式形成，比如云朵以美丽的螺旋运动环绕着地球。而现在，我们可以在量子世界中研究这个问题了。”
研究人员将这个演化过程和蝴蝶效应联系了起来——亚马逊雨林里的一只蝴蝶扇动翅膀，引发湍流的不稳定性，最终在遥远的美国制造出一场风暴。Zwierlein 解释说，“在原子中，我们有量子天气：流体仅仅由于量子不稳定性，碎裂成由更小的云和涡旋组成的晶体结构。能够直接看到这些量子效应是一个重要突破。”
[1] https://news.mit.edu/2022/ultracold-atoms-quantum-0105
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2
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