科学家利用激光制造出宇宙中最冷的物质

在日本京都的一间实验室里，研究人员正在进行一些非常酷的实验。京都大学和德克萨斯州休斯顿莱斯大学的科学家团队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。这项研究发表在《自然物理学》 9 月刊上，莱斯大学称，这项研究“打开了通往未知量子磁学领域的大门”。

“除非外星文明目前正在进行这样的实验，否则京都大学进行的这项实验每次都会产生宇宙中最冷的费米子，”莱斯大学教授、这项研究的相应理论作者、莱斯量子计划成员卡登·哈扎德在一份新闻稿中表示。“费米子不是稀有粒子。它们包括电子之类的东西，是所有物质都由两种粒子组成的其中一种。”

由研究作者高桥义郎领导的京都研究小组使用激光将镱原子的费米子（或自旋量子数为奇数半整数（如 1/2 或 3/2）的质子、中子和电子等粒子）冷却到绝对零度的十亿分之一度以内。这大约比星际空间低 30 亿倍。这片空间区域仍然受到宇宙微波背景（CMB）或大爆炸余辉的加热……大约 137 亿年前。已知最冷的太空区域是回旋镖星云，其温度比绝对零度高 1 度，距离地球 3,000 光年。

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就像电子和光子一样，原子也受量子动力学定律的约束，但它们的量子行为只有在冷却到接近绝对零度时才会变得明显。激光用于冷却原子以研究超冷原子的量子特性已有 25 年以上的历史。

“患上这种感冒的好处是物理学确实发生了变化，”哈扎德说。“物理学开始变得更加量子力学，它让你看到新的现象。”

在这个实验中，激光被用来通过停止光学晶格内 30 万个镱原子的运动来冷却物质。它模拟了哈伯德模型，这是理论物理学家约翰·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，特别是那些电子之间相互作用产生集体行为的材料，

该模型允许原子展示其不寻常的量子特性，包括电子之间的集体行为（有点像一群球迷在足球比赛中表演“波浪”）和超导，或物体在不损失能量的情况下导电的能力。

“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。“通过比较他们的测量值和我们的计算值，我们可以确定温度。创纪录的温度得益于有趣的新物理学，这与系统的高度对称性有关。”

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京都模拟的哈伯德模型具有称为 SU(N) 的特殊对称性。SU 代表特殊酉群，这是描述对称性的数学方式。N 表示模型中粒子的可能自旋状态。

N 值越大，模型的对称性就越强，其描述的磁行为的复杂性就越高。镱原子有六种可能的自旋状态，京都的模拟器首次揭示了 SU(6) 哈伯德模型中的磁相关性。研究表明，这些类型的计算不可能在计算机上计算。

“这就是进行这项实验的真正原因，”哈扎德说。“因为我们迫切想知道 SU(N) 哈伯德模型的物理原理。”

哈扎德研究小组的研究生兼研究合著者 Eduardo Ibarra-García-Padilla 补充说，哈伯德模型旨在捕捉固体材料成为金属、绝缘体、磁铁或超导体所需的最基本成分。“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一件了不起的事情。如果我们能理解这一点，它可能会指导我们制造具有新特性的真实材料。”

该团队目前正致力于开发第一种能够测量绝对零度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，我们能够确定真实材料中需要的关键成分，”哈扎德说道。