科学家造出全新量子物质形态

据物理学家组织网6月7日（北京时间）报道，美国斯坦福大学上周宣布，他们用金属镝（dysprosium）造出世界上第一个双极量子费米子气体。研究人员认为，该费米子气体兼具晶体和超流液二者看似矛盾的特征，是一种全新的量子物质形态。这标志着人们在理解费米子系统性质，将凝聚物质物理学中的超自然现象引入现实应用等方面，迈出了重要一步。相关论文发表在上周的《物理评论快报》上。如果让量子效应出现在宏观世界，将有很多不可思议的现象，水会向上流、导线没有电阻、电流的磁浮作用消失等。这些现象都和传统的理论背道而驰，但在开发未来技术方面却有着巨大前景。量子气体是迄今人类已知的最冷物质，它们的黏度为零，是一种和超流液一样的超导体。几十年来，费米子的量子效应一直难以理解。但如果能造出一种量子费米子气体，那些通常只在纳米水平才能观察到的现象，就会变得明显可见。研究中最大的两个困难是造出64纳开的极端低温和生成强相关量子气体。研究人员在坩埚中把粒子加热到约1300摄氏度，发射到强真空中，然后用世界上最强的持续波蓝激光致冷，将粒子冷却到千分之一绝对零度。再通过激光和蒸发冷却过程，最终让气体温度降到实验所需的64纳开。一般情况下，以这种方式制冷的物质只有2个或3个能级，而镝却有140多个。他们还将制冷技术用于磁性气体，解决蒸发制冷过程中费米子不相关的问题，使得费米子间可相互碰撞，将高能粒子撞出系统。论文领导作者、斯坦福大学应用物理学教授本杰明·列夫说，镝在周期表中是磁性最强的元素，这次所用的镝的一种费米子同位素，其磁能量比以前的冷却气体要大440倍。镝原子间超强的双磁极作用使其能通过远程碰撞而冷却到临界温度。研究人员指出，这种费米子气体有望带来量子液晶，也就是那些构成大部分显示器所用液晶的量子力学版；或者带来一种超级固体，这是一种假设的物质态，理论上这种固体具有超流液的特征。目前，他们正在利用这种双极量子气体的独特性质，开发一种“低温原子芯片显微镜”。这是一种磁性探测仪，能以前所未有的灵敏度和分辨率检测磁场。这种探测仪使用外部量子材料来处理信息，能让量子计算更稳定。此外，该研究还为物理学家提供了理解非传统量子效应的新目标。（来源：科技日报常丽君）