二,六,很多:物理学家观察集体行为的出现

六对原子的激光束

艺术家印象:六对原子在一束激光的焦点。资料来源:隆德大学生物成像中心(LBIC)

相变描述宏观系统性质的剧烈变化——如从液体到气体的转变。从单个的超冷原子出发,海德堡大学的物理学家能够观察到随着粒子数量的增加,这种跃迁现象的出现。在物理所的Selim Jochim教授的指导下,在量子物理领域开展研究工作。

为了制定有效的物理学理论,微观细节被搁置一边,以支持宏观可观察的量。一杯水可以用流体的压力、温度和密度等特性来描述,而单个水分子的位置和速度则无关紧要。相变描述了宏观系统从一种物质状态(如流体)到另一种物质状态(如气体)的变化。宏观系统的特性——所谓的多体系统——可以被描述为突发性的,因为它们是由自身不具备这些特性的各个组成部分相互作用而产生的。

Selim Jochim说:“我一直对这种戏剧性的宏观相变变化如何从微观描述中产生感兴趣。”为了回答这个问题,研究人员设计了一个实验,他们用单个的超冷原子组装了一个系统。利用这个量子模拟器,他们研究了微观系统中集体行为是如何产生的。为此,他们将多达12个原子聚集在一束紧密聚焦的激光束中。在这个人工系统中,可以不断调整原子之间的相互作用强度,从无相互作用到系统中最大的能量尺度。“一方面,系统中粒子的数量足够小,可以从微观上描述系统。另一方面,集体效应已经很明显了。”Jochim教授团队的博士后Luca Bayha解释道。

在他们的实验中,海德堡的物理学家们配置了量子模拟器,使原子相互吸引,如果引力足够强,就形成成对。这些原子对是过渡到超流体的必要成分,超流体是粒子无摩擦流动的状态。目前的实验集中在什么时候偶对的形成作为相互作用强度和粒子数的函数出现。Jochim教授团队的博士生Marvin Holten补充说:“我们实验的令人惊讶的结果是,只有6个原子显示了多粒子系统所期望的相变的所有特征。”

在他们的工作中,研究人员受益于集群卓越的框架“结构-在物理世界、数学和复杂数据中涌现现象的统一方法”和海德堡大学合作研究中心“极端条件下的孤立量子系统和普遍性(等量)”。这次实验成功的关键是与瑞典隆德(Lund)和丹麦奥尔胡斯(Aarhus)两所大学的研究人员的合作。研究结果发表在自然

参考:2020年11月25日,Luca Bayha, Marvin Holten, Ralf Klemt, Keerthan Subramanian, Johannes Bjerlin, Stephanie M. Reimann, Georg M. Bruun, Philipp M. Preiss和Selim Jochim的《逐层观察量子相变的出现》自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2936 - y

1评论论“二、六、许多:物理学家观察集体行为的出现”

  1. 一个、两个、三个甚至更多的东西怎么变成了许多,真是莫名其妙。

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