MIT科学家制造了量子龙卷风

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MIT科学家制造了量子龙卷风

2022 年 1 月 14 日 机器之心

选自 IEEE Spectrum

机器之心编译

编辑：张倩、泽南

这就是量子力学吗？看不懂但大受震撼。

如果你稍微了解流体力学，就会知道这个领域是以「难」而闻名的，其中的有些原理似是而非，不得要领，解释起来也是五花八门，研究这个领域的绝大多数人可能都难以获得显著的成果。

物理学家维尔纳 · 海森堡曾说过：「当我遇到上帝的时候，我会问他两个问题：为什么会有相对论？为什么会有湍流？我想上帝可能只能回答第一个问题。」

40 年前，物理学家理查德 · 费曼又说，「如果你觉得你懂量子力学，那你就不懂量子力学。」这是一门挑战直觉的学科，有时甚至会让研究它的物理学家也目瞪口呆。

那么如果在量子力学领域里研究流体会是什么结果？

有一群麻省理工学院的研究人员的确这么做了。

在量子力学中有一个名为「玻色—爱因斯坦凝聚态」的概念，可由量子气体在失重条件下产生。科学家希望借助这种零重力下的超低温量子气体研制原子干涉仪等高精密测量仪器，以用于测量地球的重力场。

最近，MIT 的一份相关研究登上了《自然》杂志。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

在这项研究中，作者首先把「玻色—爱因斯坦凝聚态」拉伸成细长条状，然后旋转这根细条直至细条破裂。这些操作得到的结果是一系列子涡旋，每一个子涡旋都是母涡旋的迷你版。

这些旋转的量子云（量子龙卷风）让人回想起我们所熟悉的经典世界中的现象，比如开尔文 - 亥姆霍兹云，它看起来像周期性重复的锯齿状卡通波浪。

然而，制造量子云涡旋的条件非常苛刻，需要很多的实验室设备，还要减少大气风切变。MIT 物理学教授 Martin Zwierlein 说：「我们从玻色 - 爱因斯坦凝聚态开始，100 万个钠原子共享一个相同的量子力学波函数。」

将气体限制在由激光束组成的原子阱中的相同机制允许研究人员挤压它，然后像螺旋桨一样旋转它。他说：「我们知道我们推动的方向，我们看到气体变长了。如果我以同样的方式旋转一滴水，同样的事情也会发生——这滴水在旋转的时候会拉长。」

他们实际上看到的是钠原子在激光照射下发出荧光时投射的阴影，这种技术被称为吸收成像（ absorption imaging）。

在特定的旋转速度下，量子气体分裂成小云团。「它会产生一些有趣的波动——我们称之为薄片（flaky），然后变得更加极端。我们看到这种气体是如何在一串液滴中「结晶」的——最后一张照片中有八个液滴。

既然能够得到二维晶体，那为什么要满足于一维晶体呢事实上，研究人员说他们已经在尚未发表的研究中做到了这一点。

之前已经有理论预测到旋转的量子气体会分裂成小块——也就是说，人们可以从早期的理论工作中推断出这种情况。

但 Zwierlein 说，他们之前并没有注意到这篇论文。在其中一幅图像的放大部分，晶体形态清晰可见。在量子流体中可以看到两处连接，或者说桥，而不是我们在水中看到过的一个大洞，量子流体有一整串量子化的漩涡。在图像的放大部分，MIT 的研究人员发现了许多这样的小孔状图案，它们以规则重复的方式链接在一起。

「当云朵在天空互相交汇时也会发生类似的现象，」Zwierlein 说道。「原本均匀的云会开始以开尔文 - 亥姆霍兹模式形成连续的手指。」

看到这里，你可能会说：又是一个花哨的量子力学研究，但没什么实际意义吧？答案是否定的，整个宇宙都是基于量子的。MIT 的这项研究获得了美国国防研究高级计划局 DARPA 的资助，该机构希望使用一圈量子龙卷风作为极其灵敏的旋转传感器。

如果你驾驶一艘潜艇在水底巡游，由于水隔绝了通信能力，你可能就需要使用光纤陀螺仪来检测轻微的旋转运动。光在光纤中以不同方式传播，如果整个物体都在旋转，你应该能得到一个干涉图案。但如果你使用的是原子而不是光，你应该能够更好地完成这项工作，因为原子要慢得多。

这种量子龙卷风传感器还可以测量地球自转的微小变化，或许我们可以通过它来了解地球核心是如何影响事物的。

MIT 科学家已经打开了新世界的大门，但还没有完全打开。目前可以确认的是那些小龙卷风仍然是玻色 - 爱因斯坦凝聚体，因为即使是最小的龙卷风每个仍然有大约 10 个原子。如果每个涡旋只有一个原子，就会产生量子霍尔效应，这是一种不同的物质状态。假如每个漩涡有两个原子，你会得到一种「分数量子霍尔」流体，每个原子「做自己的事情，不共享波函数，」Zwierlein 说。

量子霍尔效应现在被用来定义电阻最小单位：普朗克常数 h 除以电子电荷 e 的平方 (h/e2) 的比率——这个数字称为冯 · 克里青常数——这与基础物理学一样基本。

但是这种效应仍然没有被人们完全理解。Zwierlein 认为，大多数研究都集中在电子的行为上，MIT 的研究人员正试图使用钠原子作为替代品。

因此，尽管它们还没有完全到达最小的尺度，但在到达极限的过程中仍有很大的发现空间。正如费曼所说的那样（There's Plenty of Room at the Bottom）。

参考内容：

https://spectrum.ieee.org/quantum-tornadoes-mit

https://phys.org/news/2022-01-physicists-ultracold-atoms-crystal-quantum.html

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