原子被冷却到绝对零度的十亿分之一以内。


图：该模拟器使用多达 300,000 个原子，使物理学家能够直接观察粒子如何在量子磁体中相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的能力范围。图片由 Ella Maru Studio/K. Hazzard/莱斯大学提供
在日本京都的一个实验室里，研究人员正在进行一些非常酷的实验。来自德克萨斯州休斯顿的京都大学和莱斯大学的一组科学家已将物质冷却到绝对零度（所有运动停止时的温度）的十亿分之一以内，使其成为整个宇宙中最冷的物质。根据莱斯大学的说法，这项研究发表在 9 月的《自然物理学》杂志上，并“打开了通往量子磁学未探索领域的门户” 。
“除非外星文明现在正在做这样的实验，否则只要在京都大学进行这个实验，它就会制造出宇宙中最冷的费米子，”莱斯大学教授、该研究的通讯理论作者、该研究的成员Kaden Hazzard说。大米量子倡议，在新闻稿中。“费米子不是稀有粒子。它们包括电子之类的东西，是构成所有物质的两种粒子之一。”


图：不同的颜色代表每个原子的六种可能的自旋状态。图片由 Ella Maru Studio 提供/K. Hazzard 提供/莱斯大学 提供 图片由 Ella Maru Studio 提供/K. Hazzard 提供/莱斯大学提供
由研究作者Yoshiro Takahashi领导的京都团队使用激光将镱原子的费米子（或质子、中子和电子等自旋量子数为奇半整数的粒子，如 1/2 或 3/2）冷却到约 1 -绝对零度数的十亿分之一。这大约是星际空间的 30 亿倍。大约 137 亿年前，宇宙微波背景 (CMB)或宇宙大爆炸的辐射余辉仍在使该空间区域变暖。已知最冷的太空区域是回旋镖星云，它的温度比绝对零高 1 度，距离地球 3,000 光年。
就像电子和光子一样，原子也受制于量子动力学定律，但它们的量子行为只有在它们被冷却到绝对零度数的一小部分时才会变得明显。激光用于冷却原子以研究超冷原子的量子特性已超过25 年。
“感冒的好处是物理真的发生了变化，”哈扎德说。“物理学开始变得更加量子力学，它让你看到了新的现象。”
在这个实验中，激光被用来通过阻止 300,000 个镱原子在光学晶格内的运动来冷却物质。它模拟了哈伯德模型，这是一种由理论物理学家约翰哈伯德于 1963 年首次提出的量子物理学。物理学家使用哈伯德模型来研究材料的磁性和超导行为，尤其是那些电子之间的相互作用产生集体行为的材料，
这个模型允许原子展示它们不同寻常的量子特性，包括电子（有点像一群球迷在足球或足球比赛中表演“波浪”）和超导之间的集体行为，或物体导电的能力在不损失能量的情况下。
“他们在京都使用的温度计是我们理论提供的重要东西之一，”哈扎德说。“将他们的测量结果与我们的计算进行比较，我们可以确定温度。由于与系统的高度对称性有关的有趣的新物理学，实现了创纪录的温度。”
在京都模拟的 Hubbard 模型具有称为SU(N)的特殊对称性。SU 代表特殊酉群，它是一种描述对称性的数学方法。N 表示模型中粒子的可能自旋状态。
N 的值越大，模型的对称性和它所描述的磁行为的复杂性就越大。镱原子有六种可能的自旋态，京都的模拟器是第一个在 SU(6) Hubbard 模型中揭示磁相关性的模拟器。根据这项研究，这些类型的计算不可能在计算机上进行计算。
“这才是做这个实验的真正原因，”哈扎德说。“因为我们很想知道这个 SU(N) Hubbard 模型的物理特性。”
Hazzard 研究小组的研究生和研究合著者 Eduardo Ibarra-García-Padilla 补充说，Hubbard 模型旨在捕捉使固体材料成为金属、绝缘体、磁体或超导体所需的非常基本的成分。“实验可以探索的一个有趣的问题是对称性的作用，” Ibarra-García-Padilla 说。“能够在实验室中设计它是非凡的。如果我们能理解这一点，它可能会指导我们制造具有新的、所需特性的真实材料。”
该团队目前正在开发第一个能够测量绝对零以上十亿分之一度的行为的工具。
“这些系统非常奇特和特殊，但希望通过研究和理解它们，我们可以确定真实材料中需要存在的关键成分，” Hazzard 总结道。 6park.com
来源：科学研究前沿