据传说，希腊数学家兼修补匠阿基米德(Archimedes)在古埃及旅行时偶然发现了一项发明，后来这个发明以他的名字命名。它是一种由一根空心管内的螺丝钉组成的机器，旋转时，它能把水困住并吸走。现在，由斯坦福大学物理学家本杰明·列夫领导的研究人员开发了一种量子版本的阿基米德螺旋，它取代了水，将脆弱的气体原子聚集到越来越高的能量状态，而不会崩溃。他们的发现在1月14日发表在《科学》杂志上的一篇论文中有详细介绍。
实验物理学家创造了一个独特的一维量子气体系统，它在被泵送至更高的能量状态时仍然异常稳定。研究人员将其与水通过阿基米德螺旋输送相比。(图片来源:Getty Images)
“我对我们的系统的期望是，气体的稳定性只会发生一点点变化，”列夫说，他是斯坦福大学人文与科学学院应用物理学和物理学副教授。他说:“我没有预料到它会戏剧性地完全稳定下来。这超出了我最疯狂的想象。”
在这个过程中，研究人员还观察到了疤痕状态的发展——在一个混沌的量子系统中，粒子的轨迹极其罕见，在这个系统中，粒子重复地沿着它们的足迹走，就像在树林中重叠的轨迹一样。疤痕态特别有趣，因为它们可以为量子系统中编码的信息提供一个受保护的避难所。在一个有许多相互作用粒子的量子系统中，疤痕态的存在——被称为量子多体系统——直到最近才被证实。斯坦福大学的实验是多体量子气体中疤痕状态的第一个例子，也是第二次在现实世界中看到这种现象。
超级稳定
列夫专门从事一些实验，这些实验拓展了我们对量子多体系统的不同部分如何处于相同温度或热平衡的理解。这是一个令人兴奋的研究领域，因为抵制这种所谓的“热化”是创造稳定量子系统的关键，而稳定量子系统可以为量子计算机等新技术提供动力。
在这个实验中，研究小组探索了如果他们调整一个非常不寻常的多体实验系统会发生什么，这个系统被称为超级唐克斯-吉拉多气体。这些是高度激发的一维量子气体——被限制在一条运动路线上的气体状态的原子——它们被调整到这样一种方式，它们的原子彼此之间产生极强的吸引力。它们的超常之处在于，即使在极端的力下，理论上它们也不会坍缩成一个球一样的质量(像普通的有吸引力的气体那样)。然而，在实践中，由于实验的缺陷，它们确实会崩溃。Lev对强磁性元素镝有浓厚的兴趣，他想知道如果他和他的学生用镝原子创造出一种超级唐克斯-吉拉多气体，并改变它们的磁性取向‘，会发生什么——就这样。也许它们比非磁性气体更能抵抗坍缩?
“与气体中已经存在的吸引相互作用相比，我们能够添加的磁相互作用非常弱。所以，我们的预期是不会有太大变化。我们认为它仍然会倒塌，只是没有那么容易。列夫说，他也是斯坦福金兹顿实验室(Stanford Ginzton Lab)和Q-FARM的成员。“哇，我们错了。”
他们的镝变化最终产生了一种无论如何都保持稳定的超级唐克斯-吉拉多气体。研究人员在吸引和排斥条件下翻转原子气体，将系统提升或“挤压”到越来越高的能态，但原子仍然没有崩溃。
从基础开始建造
虽然他们的发现还没有立即得到实际应用，但Lev实验室和他们的同事正在开发必要的科学，为许多人预测即将到来的量子技术革命提供动力。列弗说，就目前而言，量子多体系统脱离平衡的物理学始终令人惊讶。
如果你把量子科学与我们发现建造化工厂所需知识时的情况进行比较，就好比我们现在正在做19世纪晚期的工作。”
本杰明列弗
应用物理学和物理学副教授
“目前还没有现成的教科书可以告诉你如何建立自己的量子工厂，”他说。“如果你把量子科学与我们发现建造化工厂所需知识时的情况进行比较，就好比我们现在正在做19世纪晚期的工作。”
这些研究人员刚刚开始研究关于量子阿基米德螺旋的许多问题，包括如何用数学方法描述这些疤痕状态，以及系统是否会热化(最终必然会)，它是如何热化的。更直接的是，他们计划测量在疤痕状态下的原子的动量，以开始建立一个坚实的理论，解释为什么他们的系统会有这样的行为。
列夫说，这个实验的结果是如此出乎意料，以至于他无法强烈地预测，从对量子阿基米德螺旋的深入研究中会产生什么新知识。但他指出，这也许是最好的实验主义。
“这是我一生中为数不多的几次I’ve真正进行的实验，它是实验性的，而不是现有理论的证明。我事先不知道答案会是什么，”列夫说。“然后我们发现了一些全新的、出乎意料的东西，这让我说，‘太棒了，实验主义者!’”
斯坦福大学的其他作者是研究生高威尔(共同第一作者)、李宽余(共同第一作者)和林宽余。斯塔顿岛市立大学和纽约市立大学的教授也是合著者。Lev也是斯坦福Bio-X的成员。
本研究由国家自然科学基金、空军科学研究办公室、加拿大自然科学与工程研究理事会和台湾省教育部奥林匹克奖学金资助。
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