來源：諸平科學網博客
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Just like the formation of weather patterns on Earth, here a spinning fluid of quantum particles breaks up into a crystal formed from swirling, tornado-like structures. Credits:Credit: Courtesy of the researchers

據美國麻省理工學院新聞辦公室（MIT News Office）2022年1月5日發布的消息，MIT物理學家觀察超冷原子形成量子龍卷風晶體（Physicists watch as ultracold atoms form a crystal of quantum tornadoes），新觀察記錄了從經典行為到量子行為的關鍵交叉。

我們所經歷的世界是由經典物理學支配的。我們如何移動、我們在哪里以及我們前進的速度都是由經典假設決定的，即我們只能在任何時刻存在于一個地方。但在量子世界中，單個原子的行為受一個怪異的原理支配，即粒子的位置是概率。例如，一個原子有一定的機會在一個位置，在同一時間內，另一個機會在另一個位置。

當粒子相互作用時，純粹是由于這些量子效應的結果，就會出現一系列奇怪的現象。但是在經典世界的壓倒性噪音中觀察相互作用粒子的這種純量子力學行為是一項艱巨的任務。

現在，麻省理工學院的物理學家已經直接觀察到了特定物質狀態下相互作用和量子力學的相互作用：超冷原子的旋轉流體。研究人員預測，在旋轉流體中，相互作用將占主導地位，并驅使粒子表現出奇特的、前所未見的行為。相關研究結果于2022年1月5日已經在《自然》（Nature）雜志網站發表——Biswaroop Mukherjee,?Airlia Shaffer,?Parth B. Patel,?Zhenjie Yan,?Cedric C. Wilson,?Valentin Crépel,?Richard J. Fletcher,?Martin Zwierlein. Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas.?Nature,?Published:?05 January 2022, 601: 58–62.?DOI: 10.1038/s41586-021-04170-2.?https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

在此項研究中，麻省理工學院的團隊快速旋轉了一種超冷原子的量子流體。他們看著最初的圓形原子云首先變形為細長的針狀結構。然后，當經典效應應該被抑制，只留下相互作用和量子定律來支配原子的行為時，針狀結構自發地變成了一種晶體模式，類似于一串微型量子龍卷風（見上圖所示）。

麻省理工學院物理學助理教授理查德·弗萊徹（Richard Fletcher）說：“這種結晶純粹是由相互作用驅動的，它告訴我們，我們正在從經典世界進入量子世界。”

這些結果是快速旋轉的量子氣體演化的第一個直接原位記錄。麻省理工學院托馬斯·弗蘭克（Thomas A. Frank）物理學教授馬丁·茨維爾萊因（Martin Zwierlein）表示，自旋原子的演化與地球自轉如何產生大規模天氣模式大致相似。馬丁·茨維爾萊因指出：“解釋地球自轉效應的科里奧利效應（Coriolis effect）類似于解釋帶電粒子在磁場中的行為的洛倫茲力（Lorentz force）。即使在經典物理學中，這也會產生有趣圖案形成，就像云層以美麗的螺旋運動環繞地球。現在我們可以在量子世界中研究這個。”

自旋替身（Spinning stand-ins）

在20世紀80年代，物理學家開始觀察稱為量子霍爾流體（quantum Hall fluids）的新物質家族，它由漂浮在磁場中的電子云組成。這些粒子并沒有像經典物理學預測的那樣相互排斥并形成晶體，而是以一種相關的量子方式，根據它們鄰居的行為來調整自己的行為。

理查德·弗萊徹說：“人們發現了各種驚人的特性，原因是，在磁場中，電子（通常）被凍結在原地——它們的所有動能都被關閉了，剩下的就是純粹的相互作用。所以，整個世界出現了。但對其的觀察和理解卻非常困難。”

特別是，磁場中的電子以很難看到的非常小的運動在運動。馬丁·茨維爾萊因教授和他的同事們推斷，由于旋轉中原子的運動發生在更大的長度尺度上，他們可能能夠使用超冷原子作為電子的替代品，并且能夠觀察到相同的物理現象。馬丁·茨維爾萊因說：“我們想，讓這些冷原子表現得好像它們是磁場中的電子一樣，但我們可以精確控制。然后我們可以想象單個原子在做什么，看看它們是否遵循相同的量子力學物理學（quantum mechanical physics）。”

旋轉木馬中的天氣（Weather in a carousel）

在他們的新研究中，物理學家使用激光捕獲了大約 100?萬個鈉原子云，并將這些原子冷卻到大約 100?納開爾文（100 nanokelvins）的溫度。然后，他們使用電磁鐵系統產生一個陷阱來限制這些原子，就像碗中的彈珠一樣，并以約100轉/秒的速度共同旋轉這些原子。

該團隊用相機對鈉原子云進行了成像，捕捉到了一個類似于兒童在游樂場旋轉木馬上面向中心時的視角。大約100毫秒后，研究人員觀察到原子旋轉成一個長長的針狀結構，達到臨界的量子薄度。

馬丁·茨維爾萊因說：“在經典流體中，比如香煙煙霧，它只會變得越來越稀薄。但在量子世界中，流體達到了它可以變薄的極限。”

理查德·弗萊徹補充說：“當我們看到它已經達到這個極限時，我們有充分的理由認為我們正在敲開有趣的量子物理學的大門。那么問題來了，在純粹的旋轉和相互作用的影響下，這種細如針的液體會做什么？”理查德·弗萊徹與馬丁·茨維爾萊因等人一起，于2021年6月18日在《科學》（Science）刊發的一篇科學論文中發表了迄今為止的結果。詳見Richard J.?Fletcher,?Airlia?Shaffer,?Cedric C.?Wilson,?Parth B.?Patel,?Zhenjie?Yan,?Valentin?Crépel,?Biswaroop?Mukherjee,?Martin W.?Zwierlein. Geometric squeezing into the lowest Landau level.?Science, 18 Jun 2021, 372(6548):?1318-1322.?DOI: 10.1126/science.aba7202.?https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba7202

在他們的新論文中，該團隊將他們的實驗更進一步，以了解針狀流體將如何演變。隨著流體繼續旋轉，他們觀察到一種量子不穩定性開始出現：針開始搖晃，然后螺旋式轉動，最后破成一串旋轉的斑點，或微型龍卷風——一種量子晶體（quantum crystal），純粹由氣體的旋轉和原子之間的力相互作用而產生。??

馬丁·茨維爾萊因解釋說：“這種演變與中國的蝴蝶如何在中國制造風暴的想法有關，因為不穩定會引發湍流。在這里，我們有量子天氣（quantum weather）：流體，只是因為它的量子不穩定性，分裂成這種由較小的云和漩渦組成的晶體結構。能夠直接看到這些量子效應就是一個突破。”

這項研究得到了美國國家科學基金會（National Science Foundation）、空軍科學研究辦公室（Air Force Office of Scientific Research）、海軍研究辦公室（Office of Naval Research）、萬尼瓦爾·布什教員獎學金（Vannevar Bush Faculty Fellowship）以及美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency簡稱DARPA）的部分支持。

上述介紹，僅供參考。欲了解更多信息，敬請注意瀏覽原文或者相關報道。

Abstract

The dominance of interactions over kinetic energy lies at the heart of strongly correlated quantum matter, from fractional quantum Hall liquids1, to atoms in optical lattices2?and twisted bilayer graphene3. Crystalline phases often compete with correlated quantum liquids, and transitions between them occur when the energy cost of forming a density wave approaches zero. A prime example occurs for electrons in high-strength magnetic fields, where the instability of quantum Hall liquids towards a Wigner crystal4,5,6,7,8,9?is heralded by a roton-like softening of density modulations at the magnetic length7,10,11,12. Remarkably, interacting bosons in a gauge field are also expected to form analogous liquid and crystalline states13,14,15,16,17,18,19,20,21. However, combining interactions with strong synthetic magnetic fields has been a challenge for experiments on bosonic quantum gases18,21. Here we study the purely interaction-driven dynamics of a Landau gauge Bose–Einstein condensate22?in and near the lowest Landau level. We observe a spontaneous crystallization driven by condensation of magneto-rotons7,10, excitations visible as density modulations at the magnetic length. Increasing the cloud density smoothly connects this behaviour to a quantum version of the Kelvin–Helmholtz hydrodynamic instability, driven by the sheared internal flow profile of the rapidly rotating condensate. At long times the condensate self-organizes into a persistent array of droplets separated by vortex streets, which are stabilized by a balance of interactions and effective magnetic forces.

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總結

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