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前所未有的超低温度

2022-07-01 20:18:45


一组物理学家通过用一种新的“物质波透镜”来减缓BEC的膨胀,测量到了前所未有的超低温度——仅比绝对零度高出38 pK(1 pK = 10⁻¹² K)。


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玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC) ,常被称为第五种物质状态。当被困住的致密玻色子原子云被冷却到接近绝对零度时就可以创造出BEC (玻色子原子是指那些自旋为整数的原子) 。BEC会呈现出一种统一的状态,所有的这些原子会好似被结合在了一起,表现得像一个单一、和谐的物体。

1995年,物理学家利用磁场在铷原子蒸汽中,首次制造出了这种奇异的凝聚态。自那时起,这种奇怪的量子态便经常被各种研究量子特性的实验采纳,成为了研究量子物理学的重要工具

近日,《物理评论快报》上刊登了一项新的研究。一组物理学家通过用一种新的“ 物质波透镜 ”来减缓BEC的膨胀,测量到了前所未有的超低温度—— 仅比绝对零度高出3 8 pK (1 pK = 10⁻¹² K)

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在超低温下,稀薄的原子气体会 以物质波的形式表现出它们完全的量子性质。 BEC物质波是一个强大的工具,它可以被用来探索量子理论和广义相对论之间的边界。 当将自由下落的BEC置于干涉仪中时,它所产生的干涉图样将部分取决于由原子质量引起的引力效应 这种特性有助于物理学家对一些基本的物理过程进行检验。


然而, 进行这些检验的前提是——BEC可以在很长一段时间内自由下落 。这就出现了一个问题:当BEC从产生它的磁阱中被释放出来时,粒子之间的斥性相互作用会迅速转化为动能,从而使得这些原子趋于分散,导致BEC在下落过程中迅速膨胀,变得非常稀疏,因而无法通过标准的吸收成像方法被检测到。只有降低这种能量——换句话说, 只有进一步降低BEC的温度,才可能提高物质波干涉的测量精度


为了做到这一点,在过往的一些研究中,物理学家已经利用磁力、 静电力等来聚焦BEC。这些方法被称为 物质波透镜 ,它们的运作方式有点类似于用透镜聚焦光,目的是 将BEC原子聚焦在无穷远处 ,是降低BEC内部动能的一个有效方法。


过往的物质波透镜将BEC的温度降低至大约50 pK。然而,这些透镜只能影响BEC在径向上 (两个维度) 的温度,不能影响BEC在坠落时的轴向温度。因此即便在这些物质波透镜的帮助下,自由落体中的BEC仍会迅速膨胀。


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在新研究中,研究人员使用了一种新的物质波透镜系统,它可以在三维空间中的三个维度上,将BEC波聚焦到无穷远。

他们首先在一个微芯片上制作出一个圆柱形的磁阱,在这个磁阱中生成了大约10万个铷原子组成的BEC。 通过改变用于捕获BEC的磁场,改变其形状,使其发生振荡,BEC会从球形转变为薄椭圆形——它们在轴向上变长,在“腰”的方向上变细 如果继续BEC的这种振荡,BEC能恢复到原来的形状。

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Image 过往的物质波透镜(左, 没有诱导振荡,只有磁透镜 )和新的物质波透镜(右)对比图。在新方法中,研究人员会首先在BEC中诱导由原子相互作用引起的集体模式振荡(上),当在“腰”部的宽度达到最小时,BEC就会被释放。为了减少在其他两个维度的膨胀,研究应用了一个圆柱形磁透镜(绿色显示)。| 图片来源:Alan Stonebraker / APS


但在实际操作中,研究人员会选择 在腰变得最细时,释放BEC让其自由下落 。这种方法能使它的轴向膨胀率尽可能的低。接着,研究团队会利用一个磁透镜来进一步地控制BEC在径向上的膨胀。 通过这种巧妙的结合,新的方法减缓了BEC在三个维度上的膨胀,将BEC冷却到了38 pK的低温

为了测试这项技术,研究人员记录了含有超过10万个原子的BEC物质波在一个110米高的高塔内的自由落体情况。这个塔内有着非常特殊的微重力环境,其残差加速度只有重力加速度 (g≈9.81m/s²) 的百万分之几。他们在塔的顶端释放BEC,这些 原子随后经历了4.74秒的自由落体 。在此期间,研究人员在不同的点拍摄了它们的图像。并根据在不同点上的成像数据,推测出 膨胀速度约为60µm/s

研究人员发现,在没有任何透镜作用的情况下,这些BEC会在被释放的160毫秒后,就因变得过于稀疏而“消失”了。而通过应用新的技术,BEC的膨胀速度会大大减慢,其整个下降过程都是可见的。在这种情况下, 研究人员可以对BEC进行超过2秒的成像

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这是原子干涉测量的重要一步。与以前的方法相比,新的技术在所有三个维度上都降低了气体的内部动能。在研究过程中,研究人员用这个系统模拟演示了更长的干涉测量时间。模拟结果显示,这种技术或许可以使总成像时间超过17秒。

38 pK已经是前所未有的低温了。 但研究人员表示,更复杂的磁透镜设置还有望进一步减少目前设置的一些限制,从而更严格地控制BEC膨胀。同时,降低BEC内的原子数也有可能降低膨胀速率,甚至可以使有效温度降低至14 pK。不过这种方法也会减少总的成像时间,因为BEC越小,就会越迅速地变得太稀而无法成像。

这种新的透镜方法为基础物理测试和量子传感技术在设计和控制BEC的形状和膨胀时长上提供了新的可能。研究人员相信,这样的结果将有益于物理学家在未来进行的高精度的引力波探测、引力常数的测量,超轻型暗物质的找寻,以及爱因斯坦等效原理的严格量子验证。

# 创作团队:

文:二宗主

# 参考来源:

https://physics.aps.org/articles/v14/11 9

https://physicsworld.com/a/bose-einstein-condensates-hit-record-low-temperature/

#图片来源

封面图:geralt /Pixabay



本文转载自公众号“原理”(ID: principia1687


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