斯坦福大学 信用:CC0公共领域 随着故事的发展，希腊数学家兼修补匠阿基米德在古埃及旅行时偶然发现了一项后来以他的名字命名的发明
这是一台由一个装在空心管内的螺杆组成的机器，它在旋转时可以收集和吸取水
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出了量子版的阿基米德螺线，代替水，将脆弱的气体原子集合运送到越来越高的能量状态，而不会坍塌
他们的发现在1月26日发表的一篇论文中有详细描述
科学14
“我对我们系统的期望是，气体的稳定性只会有一点点改变，”斯坦福大学人文科学学院应用物理学和物理学副教授列夫说
“我没有想到我会看到一个戏剧性的，完全稳定的
那超出了我最疯狂的想象
" 在此过程中，研究人员还观察到疤痕状态的发展——在一个原本混乱的量子系统中，粒子极其罕见的轨迹，在这个系统中，粒子像在树林中重叠的轨迹一样重复地沿着自己的轨迹前进
Scar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
斯坦福实验是多体量子气体中疤痕态的第一个例子，也是第二次在现实世界中看到这种现象
超级稳定 列夫专门从事实验，这些实验扩展了我们对量子多体系统不同部分如何达到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”是创造稳定的量子系统的关键，这种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，这个系统叫做超级唐克斯-吉拉尔多气体
这些是高度激发的一维量子气体——处于气态的原子被限制在一条运动线上——它们被调整成它们的原子对彼此产生极强的吸引力
它们的超级之处在于，即使在极端的力的作用下，理论上它们也不应该坍缩成球状的质量(就像正常的吸引气体一样)
然而，在实践中，由于实验的不完善，它们确实会崩溃
喜欢强磁性元素镝的列夫想知道，如果他和他的学生用镝原子创造出一种超级唐克斯-吉拉尔多气体，并改变它们的磁取向，会发生什么
也许它们比非磁性气体更能抵抗崩溃？ “与气体中已经存在的吸引相互作用相比，我们能够增加的磁相互作用非常弱
所以，我们的期望是不会有太大的变化
我们认为它仍然会崩溃，只是不那么容易
”列夫说，他也是斯坦福·金茨顿实验室和Q-FARM的成员
“哇，我们错了吗
" 他们的镝变异最终产生了一种超级唐克斯-吉拉尔多气体，无论如何都保持稳定
研究人员将原子气体在吸引和排斥条件之间翻转，将系统提升或“拧紧”到越来越高的能量状态，但原子仍然没有崩溃
从基础开始建造 虽然他们的发现没有直接的实际应用，但列夫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
列夫说，目前，量子多体系统失衡的物理现象仍然令人惊讶
他说:“书架上还没有教科书，你可以拿出来告诉你如何建造自己的量子工厂。”
“如果你把量子科学与我们发现建造化工厂需要知道的东西时所处的位置进行比较，比如说，就好像我们现在正在做19世纪晚期的工作
" 这些研究人员才刚刚开始研究他们关于量子阿基米德螺线的许多问题，包括如何用数学方法描述这些疤痕状态，以及如果系统真的热化——最终必须热化——它将如何进行
更直接的是，他们计划测量scar状态下原子的动量，从而开始发展一个坚实的理论，解释为什么他们的系统会有这样的表现
这个实验的结果是如此出乎意料，以至于列夫说他不能强有力地预测对量子阿基米德螺旋进行更深入的研究会带来什么新知识
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真正进行实验，而不是对现有理论的证明
我事先不知道答案会是什么，”列夫说
“然后我们发现了一些真正新的、意想不到的东西，这让我说，‘耶，实验学家！’"
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