宾夕法尼亚州立大学萨姆·舒尔茨 宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用这一装置创造了一系列由原子组成的超冷一维气体
这些原子是玻色子，是所有粒子都可以分类的两种类型之一
一般来说，玻色子和费米子，另一类粒子，行为截然不同
然而，当一维气体中玻色子之间的内部相互作用非常强时，它们的空间分布与非相互作用费米子相同
研究人员现在已经表明，当气体被允许膨胀，同时仍然被限制在一维时，它们的速度分布也变得与非相互作用费米子的气体相同
荣誉:内特·福尔默，宾夕法尼亚州立大学 玻色子和费米子，这两类粒子——从亚原子到原子本身——在大多数情况下表现非常不同
虽然相同的玻色子喜欢聚集，但相同的费米子倾向于反社会
然而，在一维空间中——想象只能在一条直线上运动的粒子——玻色子可以变得像费米子一样冷漠，这样就不会有两个粒子占据相同的位置
现在，新的研究表明，同样的事情——玻色子的行为就像费米子一样——可以以它们的速度发生
这一发现增加了我们对量子系统的基本理解，并可能为量子器件的最终发展提供信息
“自然界中的所有粒子都有两种类型，取决于它们的‘自旋’，这是一种量子性质，在经典物理学中没有真正的模拟，”宾夕法尼亚州立大学杰出的物理学教授、研究小组的领导人之一魏红星说
“自旋为整数的玻色子可以共享同一个量子态，而自旋为半整数的费米子则不能
当粒子足够冷或足够致密时，玻色子的行为与费米子完全不同
玻色子形成“玻色-爱因斯坦凝聚体”，聚集在同一个量子态
另一方面，费米子一个接一个地填满可用的状态，形成所谓的“费米海”
" 宾夕法尼亚州立大学的研究人员现在已经通过实验证明，当玻色子在一维空间中膨胀时——原子线被允许展开变长——它们可以形成费米海洋
一篇描述这项研究的论文发表在2020年3月27日的《科学》杂志上
“相同的费米子是反社会的，你不能在同一个地方有一个以上的费米子，所以当它们非常冷的时候，它们不会相互作用，”宾夕法尼亚州立大学的物理学教授马科斯·里戈尔说，他也是研究小组的另一位组长
“玻色子可以在同一个地方，但是当它们的相互作用非常强时，这在能量上就变得太昂贵了
因此，当被限制在一维运动时，它们的空间分布看起来就像非相互作用的费米子
早在2004年，大卫的研究小组就通过实验证明了这一现象，这一现象在20世纪60年代曾被理论预测过
" 即使强相互作用玻色子和非相互作用费米子的空间性质在一维上是相同的，玻色子仍然可以具有彼此相同的速度，而费米子则不能
这是由于粒子的基本性质
“2005年，当时还是研究生的马科斯预测，当强相互作用玻色子在一维空间膨胀时，它们的速度分布将形成费米海，”韦斯说
“我非常兴奋能与他合作展示这一惊人的现象
" 一维膨胀的强相互作用玻色子俘获气体速度分布的演化
最初达到峰值的“玻色子”分布(紫色线)逐渐变为圆形的“费米子”分布(暗红色线)
最终的形状就像费米海一样，会在相同的初始陷阱中表征费米子
学分:宾夕法尼亚州立大学韦斯实验室 研究小组利用光学晶格创建了一个由玻色子原子组成的超冷一维气体阵列(“玻色气体”)，该晶格使用激光来捕获原子
在光阱中，系统处于平衡状态，强相互作用的玻色气体具有像费米子一样的空间分布，但仍然具有玻色子的速度分布
当研究人员关闭一些捕获光时，原子向一维方向膨胀
在这个膨胀过程中，玻色子的速度分布平滑地转变成与费米子相同的速度分布
研究人员可以跟踪这种转变的发生
“光学晶格中超冷气体的动力学是许多新奇有趣现象的来源，这些现象直到最近才开始被探索，”里戈尔说
“例如，戴夫的团队在2006年表明，在玻色气体经历一维动力学之后，像温度这样普遍的东西并没有得到很好的定义
我和我的合作者将这一发现与描述他的实验的理论模型的一个美丽的潜在数学特性联系起来，这个特性被称为“可积性”
可积性在我们新观察到的动力学费米现象中起着核心作用
" 因为这个系统是“可积的”，研究人员可以非常详细地理解它，通过研究这些一维气体的动力学行为，宾夕法尼亚州立大学的团队希望解决物理学中的广泛问题
“在过去的半个世纪里，平衡量子系统的许多普遍性质已经被阐明，”韦斯说
“识别动力系统中的普遍行为变得更加困难
通过充分理解一维气体的动力学，然后逐渐降低气体的可积性，我们希望能够确定动态量子系统中的普遍原理
" 动态的、相互作用的量子系统是基础物理的重要组成部分
它们在技术上也越来越相关，因为许多实际的和提议的量子设备都基于它们，包括量子模拟器和量子计算机
“我们现在可以通过实验获得一些东西，如果十年前你问任何在这个领域工作的理论家，‘我们有生之年会看到这个吗？’他们会说“没门，”里戈尔说
除了里戈尔和韦斯，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括约书亚·M
威尔逊、尼尔·马尔瓦尼亚、乐源和张一成
这项研究由美国政府资助
S
国家科学基金会和美国
S
陆军研究办公室
计算是在宾夕法尼亚州立计算和数据科学研究所进行的
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
