" 除非有一個(gè)外星文明現(xiàn)在也正在做這樣的實(shí)驗(yàn)，否則在任何時(shí)間只要這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在運(yùn)行，它就是在制造宇宙中最寒冷的費(fèi)米子。" 一項(xiàng)新研究的科學(xué)家這樣介紹他們的成果。

物理學(xué)家利用溫度約是寒冷的星際空間的 30 億分之一的原子，打開了一個(gè)通往量子磁性的未知領(lǐng)域的大門。研究已發(fā)表在《自然 · 物理》上。

突破性量子模擬器觀察到的復(fù)雜磁相關(guān)的藝術(shù)家暢想圖。實(shí)驗(yàn)中的模擬器使用了比深空還要冷 30 億倍的鐿原子。不同顏色代表每個(gè)原子的 6 種可能的自旋態(tài)。模擬器使用了多達(dá) 30 萬(wàn)個(gè)原子，讓物理學(xué)家能夠直接觀察粒子在量子磁體中的相互作用，這種復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。（圖／Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University）

超冷原子的量子特性

費(fèi)米子并非罕見(jiàn)的粒子，這是一類自旋為半整數(shù)的粒子，電子、重子還有許多原子都屬于費(fèi)米子，它們被認(rèn)為是構(gòu)成所有物質(zhì)的基石。

與電子和光子一樣，原子同樣受到量子動(dòng)力學(xué)定律的制約，但它們的量子行為只有在被冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。絕對(duì)零度是所有運(yùn)動(dòng)都停止的可望不可即的溫度。

幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直使用激光冷卻來(lái)研究超冷原子的量子特性。他們可以將原子限制在一個(gè)小型真空玻璃或金屬盒中，來(lái)自激光束的推動(dòng)會(huì)讓最具能量的原子釋放出一些能量，這就好像對(duì)著一杯熱茶吹氣，從而降低了整體的溫度。

努力變得這么冷的 " 回報(bào) " 是，物理性質(zhì)開始改變，它變得更 " 量子 " 了，讓科學(xué)家觀察到新的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，用激光冷卻原子，并將它們的運(yùn)動(dòng)限制在光學(xué)格、一維、二維或三維的光通道中，這些光通道就可以作為量子模擬器，來(lái)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

探索 SU ( 6 ) 哈伯德模型

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)使用激光，將費(fèi)米子（鐿原子）冷卻在絕對(duì)零度以上大約十億分之一的范圍內(nèi)。這是極低的溫度，甚至寒冷的、被大爆炸的余輝所溫暖的星際空間，都比它要溫暖 30 億倍。

他們使用光學(xué)格來(lái)模擬哈伯德模型，這是理論物理學(xué)家約翰 · 哈伯德（John Hubbard）在 1963 年創(chuàng)建的一個(gè)常用的量子模型。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，哈伯德模型旨在捕捉最小的成分，從而了解固體材料為何成為金屬、絕緣體、磁體或超導(dǎo)體。哈伯德模型常被用來(lái)研究材料的磁性和超導(dǎo)行為，特別是那些電子之間的相互作用產(chǎn)生集體行為的材料，它們有點(diǎn)像在擁擠的體育場(chǎng)中表演 " 人浪 " 歡呼的體育迷的集體相互作用。

模擬的哈伯德模型具有被稱為SU ( N ) 的特殊對(duì)稱性，其中 SU 代表特殊酉群，這是一種描述對(duì)稱性的數(shù)學(xué)方法，而 N 則表示模型中粒子的可能自旋態(tài)。N 的值越大，模型的對(duì)稱性和它所描述的磁性行為的復(fù)雜性就越高。

鐿原子有 6 種可能的自旋態(tài)，研究中的量子模擬器首次揭示了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中磁相關(guān)。他們首次觀察到了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中的粒子配位。這種配位是短程的，但隨著粒子被進(jìn)一步冷卻，更微妙、更奇特的物質(zhì)相也會(huì)出現(xiàn)。這些奇異相的一個(gè)有趣之處是，它們沒(méi)有明顯的模式，但也不是隨機(jī)的。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 ( a ) SU ( 6 ) 哈伯德系統(tǒng)在三維光學(xué)格的各種配置中實(shí)現(xiàn)。自旋成分由核自旋投影量子數(shù) mI 標(biāo)示。 ( b ) 實(shí)驗(yàn)示意圖。在準(zhǔn)備好平衡狀態(tài)和冷卻所有隧穿過(guò)程后，一個(gè)自旋相關(guān)的勢(shì)梯度被應(yīng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)斯萊特型軌道。隨后，每?jī)蓚€(gè)相鄰的格位點(diǎn)被合并成檢測(cè)格的單個(gè)位點(diǎn)，接著進(jìn)行光締結(jié)，移除處于反對(duì)稱自旋態(tài)的原子對(duì)。（圖／Taie, S. et al., 2022）

實(shí)驗(yàn)有能力在三維格中捕獲多達(dá) 30 萬(wàn)個(gè)原子，這種復(fù)雜程度是無(wú)法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的。作為對(duì)比，即使是目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，想要準(zhǔn)確計(jì)算 SU ( 6 ) 哈伯德模型中哪怕是十幾個(gè)粒子的行為，它們也力所不能及。

發(fā)展理論工具

實(shí)驗(yàn)幫助物理學(xué)家開始探索 SU ( N ) 哈伯德模型的物理學(xué)，它提供了一個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)，通過(guò)觀察這些復(fù)雜的量子系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而了解它們。這項(xiàng)研究正是朝著這個(gè)方向邁出的重要一步。

由于情況非常復(fù)雜，物理學(xué)家還沒(méi)有掌握能夠完全測(cè)量實(shí)驗(yàn)中粒子行為的工具。理論學(xué)家也正在進(jìn)行創(chuàng)造相關(guān)理論工具的研究。這些系統(tǒng)相當(dāng)奇特和特殊，研究人員希望通過(guò)研究和了解它們，幫助確定真實(shí)材料中所需的關(guān)鍵成分。