世界上第一个“量子龙卷风”是如何形成的

在一些最极端的物理条件下，物理学家们或许创造了迄今为止最小的风暴。

这些“量子龙卷风”是由麻省理工学院和哈佛大学的量子研究人员制造的，是量子力学的最新体现——量子力学是一套奇特的定律，在最精细的亚原子尺度上控制着宇宙。它们由微小的钠原子云组成，在绝对零度以上几分之一的温度下旋转。

有一种成熟的方法可以将原子深度冷冻到这种超冷深度。首先将原子（通常是碱金属）困在磁笼中，然后向它们发射激光。使用激光作为冷却方式可能看起来很奇怪，但它们产生的光束只有一种波长（在这种情况下是黄色，以匹配钠的蒸气色调）。经过精细调整后，它们可以将原子减速到不再产生热量的程度。

最终剩下的可能是玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种可爱而深奥的物质状态，其中多个原子作为一个原子起作用，并以各种难以想象的量子方式运作。

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玻色-爱因斯坦凝聚态看起来很奇怪，事实也确实如此——但物理学家们已经习惯了这种奇怪的现象。这种凝聚态最早在 20 世纪 20 年代被预测，科学家们于 1995 年在实验室中成功制造出这种凝聚态。这些努力为科学家们赢得了 2001 年诺贝尔物理学奖。

自那时起，物理学界就一直热衷于尝试将玻色-爱因斯坦凝聚态推向新的高度（或者说新的低点）。例如，物理学家们一段时间以来一直想知道他们是否能让冻结在这种物质状态下的原子旋转。

研究人员之所以对此感兴趣，是因为它追随了量子霍尔液体的脚步。长话短说，在某些量子条件和磁场下，原本会相互推开的电子云反而会开始模仿彼此的属性。这会导致它们的行为有点像流体中的水分子，自由流动。

电子很难观察，但物理学家认为，在漩涡中旋转玻色-爱因斯坦凝聚态可以使原子表现出相同的行为。这很有吸引力，因为原子比电子大得多。

这个最新的研究小组并不是唯一一个试图激起涡流的小组。挑战在于如何在不破坏玻色-爱因斯坦凝聚态的情况下让原子旋转。

“从本质上说，控制这种旋转有点棘手，”弗吉尼亚大学物理学家彼得·绍斯 (Peter Schauss) 表示，他没有参与这项最新实验。“以某种方式旋转它很容易，但以不加热的方式旋转它却很难。”

哈佛-麻省理工学院的研究小组设法控制了一百万个钠原子，将它们冷却到绝对零度以上 1000 亿分之一开尔文，并将它们圈在强大的电磁铁中。然后，他们旋转凝聚态，希望能够看到量子流体的运动。

这种方法在一定程度上是有效的。原子形成了一种细长的针状结构，具有他们一直在寻找的流体的特性。研究人员于 2021 年 6 月在《科学》杂志上发表了迄今为止的研究结果。

但他们知道他们可以走得更远。他们决定继续旋转那根针，看看会发生什么。就在那时，他们注意到了一些不同寻常的事情：针开始波动。起初，它开始卷成螺旋状。然后，卷曲断裂，将针碎裂成一小块量子团，每个量子团都开始旋转。因此，量子龙卷风就出现了。

研究人员将此与混沌理论进行了比较。产生这些龙卷风类似于蝴蝶翅膀扇动并在地球另一端引发风暴的著名例子，只是这个过程是在量子尺度上进行的。他们本月早些时候在《自然》杂志上发表了对涡旋的描述。

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那么接下来会发生什么呢？可以想象，让原子在这个层面上合作并不容易。“要获得更稳定的激光器来高效地运行这些实验，这项工作仍在进行中，”Schauss 说。“很多实验都受到激光器的限制。”

另一个挑战是：这些量子龙卷风中最小的一个有 10 个原子。但一些物理学家认为，可以走得更远——达到只有一个原子的玻色-爱因斯坦凝聚态。这样做将真正帮助物理学家观察一些神秘的量子力学方程在现实世界中的运行（至少要用非常精密的相机）。

虽然科学家们仍在不断改进制造这些涡流和其他形状的超冷物质的工艺，但他们的发明可能会应用于传感器等技术。麻省理工学院和哈佛大学的研究由 DARPA 资助，该机构希望利用旋转的凝聚态物质来探测水下的细微运动。但到目前为止，细微运动还不是研究的一部分。