作者:麻省理工学院朱明华
就像地球上天气模式的形成一样，这里量子粒子的旋转流体分裂成由漩涡状、龙卷风状结构形成的晶体
荣誉:由研究人员提供 我们所经历的世界受经典物理学的支配
我们如何移动，我们在哪里，我们走得多快，都是由经典假设决定的，即我们在任何时刻只能存在于一个地方
但是在量子世界中，单个原子的行为是由一个奇异的原理控制的，即粒子的位置是一个概率
例如，一个原子有一定的机会在一个位置，另一个机会在另一个位置，在同一时间
当粒子相互作用时，纯粹由于这些量子效应，一系列奇怪的现象应该随之而来
但是，在经典世界的巨大噪音中观察这种相互作用粒子的纯量子力学行为是一项棘手的任务
现在，麻省理工学院的物理学家已经直接观察到了一种特殊物质状态下的相互作用和量子力学的相互作用:超冷原子的旋转流体
研究人员预测，在旋转的流体中，相互作用将主导并驱动粒子表现出前所未见的奇异行为
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，麻省理工学院的研究小组快速旋转了一种超冷原子的量子流体
他们看到最初的圆形原子云首先变形为一个薄的针状结构
然后，当经典效应应该被抑制，只留下相互作用和量子定律来支配原子的行为时，针自发地分裂成一种晶体模式，类似于一串微型量子龙卷风
麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻说:“这种结晶纯粹是由相互作用驱动的，它告诉我们我们正在从经典世界走向量子世界。”
这一结果是第一次直接、现场记录快速旋转的量子气体的演化
托马斯·阿·马丁·兹韦林
麻省理工学院物理学教授弗兰克说，旋转原子的演化与地球自转加速大规模天气模式的方式大致相似
Zwierlein指出:“解释地球旋转效应的科里奥利效应类似于解释带电粒子在磁场中行为的洛伦兹力。”
“即使在经典物理学中，这也引起了有趣的图案形成，就像云以美丽的螺旋运动包裹着地球
现在我们可以在量子世界中研究这个
" 这项研究的合著者包括比斯沃罗普·慕克吉、艾利亚·谢弗、帕思·布
帕特尔、严振杰、塞德里克·威尔逊和瓦伦汀·克雷佩尔，他们都隶属于麻省理工学院-哈佛超冷原子中心和麻省理工学院电子研究实验室
旋转替身 20世纪80年代，物理学家开始观察一种新的物质家族，称为量子霍尔流体，它由漂浮在磁场中的电子云组成
粒子没有像经典物理学所预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以相关的量子方式调整它们的行为以适应邻居的行为
弗莱彻说:“人们发现了各种惊人的性质，原因是，在磁场中，电子(经典地)被冻结在原地——它们所有的动能都被切断了，剩下的纯粹是相互作用。”
“于是，整个世界出现了
但是观察和理解是极其困难的
" 特别是，磁场中的电子运动非常小，很难看到
Zwierlein和他的同事推断，由于旋转中的原子运动发生在更大的长度尺度上，他们可能能够使用超晶格原子作为电子的替代品，并且能够观察到相同的物理现象
“我们想，让这些冷原子表现得好像它们是磁场中的电子一样，但我们可以精确控制，”Zwierlein说
“然后我们可以想象单个原子在做什么，看看它们是否遵守同样的量子力学物理
" 旋转木马里的天气 在他们的新研究中，物理学家使用激光捕获了大约100万个钠原子的云，并将原子冷却到大约100纳米的温度
然后，他们使用电磁体系统产生一个陷阱来限制原子，并以大约每秒100转的速度集体旋转原子，就像碗里的弹珠一样
研究小组用相机拍摄了云的图像，捕捉到了一个类似于儿童面对操场旋转木马中心时的视角
大约100毫秒后，研究人员观察到原子旋转成一个长长的针状结构，达到了临界量子厚度
Zwierlein说:“在经典的液体中，就像香烟烟雾一样，它只会越来越稀薄。”
“但是在量子世界中，流体的厚度达到了极限
" “当我们看到它已经达到这个极限时，我们有充分的理由认为我们正在敲有趣的量子物理的门，”弗莱彻补充道，他和兹维尔林一起在以前的《科学》杂志上发表了截至目前的结果
"那么问题是，在纯粹的旋转和相互作用的影响下，这种针一样薄的流体会做什么？" 在他们的新论文中，研究小组将他们的实验向前推进了一大步，以观察针状流体将如何演化
当流体继续旋转时，他们观察到一种量子不稳定性开始出现:针开始摇摆，然后是螺旋状，最后分裂成一串旋转的斑点，或者微型龙卷风——一种量子晶体，纯粹是由气体的旋转和原子之间的力的相互作用产生的
Zwierlein解释说:“这种进化与中国的蝴蝶如何在这里制造风暴的想法有关，因为不稳定性会引发湍流。”
“在这里，我们有量子天气:流体，仅仅是从它的量子不稳定性，分裂成这个更小的云和漩涡的晶体结构
能够直接看到这些量子效应是一个突破
"
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