研究人員第一次看到單個原子彼此遠離或成對成對

如果你裝瓶氣體并嘗試使用當今最強大的顯微鏡成像原子，你將看到的不僅僅是陰影模糊。原子以閃電般的速度拉鏈，在環(huán)境溫度下難以固定。

然而，如果這些原子陷入極端溫度，它們就會慢慢爬行，科學家們可以開始研究它們如何形成奇異的物質狀態(tài)，如超流體，超導體和量子磁體。

麻省理工學院的物理學家現(xiàn)在已經將一個鉀原子氣體冷卻到幾個納米骨架 - 只有一個高于絕對零度的頭發(fā) - 并將原子捕獲在由交叉激光產生的二維光學晶格片內。研究人員使用高分辨率顯微鏡拍攝了位于晶格中的冷卻原子的圖像。

通過觀察數(shù)百個此類圖像中原子位置之間的相關性，該團隊根據(jù)它們在晶格中的位置，觀察到各個原子以一些相當特殊的方式相互作用。一些原子表現(xiàn)出“反社會”行為并且彼此遠離，而一些原子則以交替的磁性取向聚集在一起。其他人似乎互相捎帶，在空的空間或洞旁邊創(chuàng)造成對的原子。

該團隊認為，這些空間相關性可能會揭示超導行為的起源。超導體是非凡的材料，其中電子配對并且在沒有摩擦的情況下行進，這意味著在行程中沒有能量損失。如果超導體可以設計成在室溫下存在，它們可以為依賴電力的任何東西啟動一個全新的，非常高效的時代。

麻省理工學院NSF Ultracold原子中心及其電子研究實驗室的物理學和首席研究員Martin Zwierlein表示，他的團隊的研究結果和實驗設置可以幫助科學家確定誘導超導性的理想條件。

“從這種原子模型中學習，我們可以了解這些超導體的真實情況，以及制造高溫超導體應該做些什么，有望接近室溫，”Zwierlein說。

Zwierlein及其同事的研究結果發(fā)表在“ 科學 ”雜志上。共同作者包括麻省理工學院 - 哈佛大學超級原子中心，麻省理工學院電子研究實驗室的實驗主義者，以及圣何塞州立大學，俄亥俄州立大學，里約熱內盧大學和賓夕法尼亞州立大學的兩個理論小組。

“原子作為電子的替身”

今天，即使使用世界上最強大的計算機，也不可能模擬高溫超導體的行為，因為電子之間的相互作用非常強。Zwierlein和他的團隊尋求設計一種“量子模擬器”，使用氣體中的原子作為超導固體中電子的替身。

該小組的理論依據(jù)是幾個歷史的推理路線：首先，1925年奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利制定了現(xiàn)在所謂的泡利不相容原理，該原則指出沒有兩個電子可能占據(jù)相同的量子態(tài) - 如旋轉或位置 - 同時。泡利還假設電子保持一定的個人空間領域，被稱為“泡利洞”。

他的理論結果解釋了元素周期表：電子的不同配置產生特定的元素，使碳原子，例如，不同于氫原子。

物理學家恩里科費米很快意識到，同樣的原理不僅可以應用于電子，還可以應用于氣體中的原子：原子喜歡保持自身的程度可以定義氣體的可壓縮性等特性。

“他還意識到這些氣體在低溫下會以特殊的方式表現(xiàn)，”Zwierlein說。

英國物理學家約翰哈伯德隨后將保利的原理納入了一個現(xiàn)在被稱為費米 - 哈伯德模型的理論中，該模型是相互作用原子的最簡單模型，跨越晶格跳躍。今天，該模型被認為是解釋超導性的基礎。雖然理論家已經能夠使用該模型來計算超導電子的行為，但他們只能在電子彼此弱相互作用的情況下這樣做。

“這就是為什么我們不了解高溫超導體的一個重要原因，那里的電子非常強烈地相互作用，”Zwierlein說。“世界上沒有經典的計算機可以計算出在極低溫度下與電子相互作用會發(fā)生什么。它們的空間相關性也從未在原位觀察到，因為沒有人用顯微鏡來觀察每一個電子。“

打造個人空間

Zwierlein的團隊試圖設計一個實驗來實現(xiàn)具有原子的Fermi-Hubbard模型，希望看到超冷原子的行為類似于高溫超導體中的電子行為。

該小組之前已經設計了一個實驗方案，首先將原子氣體冷卻到接近絕對零度，然后將它們捕獲在激光產生的晶格的二維平面中。在這樣的超冷溫度下，原子減速到足以讓研究人員第一次在圖像中捕獲它們，因為它們在晶格上相互作用。

在晶格的邊緣，氣體更稀釋，研究人員觀察到原子形成泡利孔，在晶格內保持一定的個人空間。

Zwierlein說：“他們?yōu)樽约毫舫隽艘稽c空間，在那里不太可能找到第二個人。”

在天然氣被壓縮的情況下，該團隊發(fā)現(xiàn)了意想不到的事情：原子更適合擁有近鄰，事實上非常緊密。這些原子表現(xiàn)出交替的磁取向。

“這些是美麗的反鐵磁相關性，帶有棋盤圖案 - 向上，向下，向上，向下，”Zwierlein描述道。

同時，發(fā)現(xiàn)這些原子經常在彼此之上跳躍，在空格子方塊旁邊創(chuàng)建一對原子。Zwierlein說，這讓人想起高溫超導的機制，其中相鄰晶格點之間共振的電子對可以在沒有摩擦的情況下穿過材料，如果只有適量的空間讓它們通過的話。

最后，他表示，該團隊的氣體實驗可以幫助科學家確定固體中超導性的理想條件。

Zwierlein解釋說：“對我們來說，這些效應發(fā)生在納米開爾文，因為我們正在使用稀釋的原子氣體。如果你有一塊密集的物質，這些效果可能會在室溫下發(fā)生。“

目前，該團隊已經能夠在相當于固體中數(shù)百開爾文的氣體中實現(xiàn)超冷溫度。為了誘導超導性，Zwierlein表示該組織必須將其氣體冷卻另外五倍左右。

“我們還沒有玩過所有的技巧，所以我們認為我們可以變得更冷，”他說。