幕後文章是與國家科學基金會合作提供給生活方面的。
我們大多數人都同意，32°F（水凍結的溫度）是一個非常寒冷的一天，但是-320°F，氮的沸點……或-452°F的沸點，氦氣的沸點呢？
與我一起作為教授的研究生工作的原子氣體相比，這些溫度非常熱。布萊恩·德馬科（Brian DeMarco）伊利諾伊大學的實驗室。我們對原子氣體進行的實驗僅在絕對零（-459.67°F）以上的10億分之一（-459.67°F）上。
室溫下的原子以每秒約500英尺的速度移動，但是在我們冷卻後，它們以每秒十分之一英寸的速度移動，比普通花園蝸牛的最高速度慢10倍。我們如何完成這一壯舉？
關鍵是激光和蒸發冷卻的組合。使用激光器的製冷似乎很奇怪，因為激光器可以用來切割和標記不銹鋼，例如iPod的背面。我們的實驗中的激光光包括數十億個稱為光子的小包包，每秒飛過原子，因為它只會從原子散佈向激光光移動，從而使它們放慢速度。您可以想像，此過程類似於使用朝相反方向行駛的許多網球流減速汽車的過程。
捕獲原子
激光冷卻僅限於將原子氣的溫度冷藏到超過絕對零以上的一百萬度。因此，就像您的身體汗水調節溫度一樣，我們使用蒸發冷卻來達到實驗中最低溫度。
激光冷卻後，我們關閉所有光線，並使用磁鐵將原子捕獲。我們迫使最高的能量原子離開，而留下的原子變得更冷。我們不必擔心凍傷，因為所有這些都發生在絕緣真空容器中。
我們將這些原子冷卻到如此低的溫度，以使它們的行為受量子效應的主導。
量子力學似乎似乎是異國情調的，但是它會影響生活的各個方面，從新陳代謝的化學基礎到防止腳落在地板上的力量。許多粒子的量子行為在一起是許多現代技術的基礎。例如，諸如計算機芯片中的半導體之類的材料由通過離子形成的晶體組成的電子組成，使用這些電子的量子行為來製造晶體管。材料中的某些量子效應尚不清楚，例如“高溫”超導體內部發生的事情，這些導體可以在高於氮的沸點高的溫度下運行。在超導體中，通過材料流動的電阻在一定溫度以下消失。
如果在更高的溫度下運行，則可以在全國各地的醫院MRI機器中常見的超導體（例如，節省電力從電站傳輸電力到房屋）的能源。物理學家不知道該如何實現這一目標，因為我們對高溫超導體的工作程度不大。
我們甚至不能使用我們最強大的超級計算機為了模擬這些材料 - 現在，我們只能計算大約10個電子的行為，而超導線中的數十億個電子。每10年，計算機速度的進步就可以讓我們在計算機模擬中僅添加一個電子。我們正在嘗試使用一種稱為量子模擬的截然不同的方法在實驗室中闡明這些材料。
我們已經構建了一個系統，該系統用超冷原子和帶有光晶體的離子晶體代替電子。結果就是我們所說的量子模擬器，因為我們已經用一些可以輕鬆測量和操縱的東西代替了希望理解的系統。實際材料需要敏感的探針來查看電子以及特殊和耗時的技術以改變材料特性。借助我們的模擬器，我們可以通過更改實驗室中的旋鈕直接對原子進行映像並改變“材料”的性質。
理查德·費曼（Richard Feynman）在1981年首先想像的是使用一個量子系統模擬另一個量子系統的想法，一位物理學家授予諾貝爾獎1965年，他協助了解O形圈失敗是如何導致1986年挑戰者災難的。
研究生做什麼
作為這樣的項目的研究生需要許多責任。首先，我們必須構建模擬器，這是在實驗室中可以完成的關於大臥室大小的最複雜的實驗之一。該設備分佈在兩個重1000磅的鋼桌子上，並用活塞漂浮以減少振動。該實驗使用了10多種不同的激光器以及數百個鏡子和鏡頭。我們有電子組件和幾台計算機的架子來運行整個內容。幸運的是，我們只需要設置一次。
我作為研究生的角色主要涉及進行實驗和進行測量。
有時我們會牢記一定的結果。但是，像所有科學一樣，通常會涉及一些運氣。每隔一段時間，我們都會得到我們一開始無法理解的結果。這些是最令人興奮的，因為它們通過挑戰我們已經知道的東西來增加我們的知識。
我們最近的發現涉及一組實驗，探討了通過光晶體移動的原子。我們發現，量子渦流（類似於浴缸中的漩渦）在放慢原子方面發揮了作用。為了了解這一結果，我們必須與伊利諾伊州的研究人員進行交談，後者與超導電線和床單一起工作。他們告訴我們，已經觀察到渦流中斷微小的超導電線中的電子流，但是尚不完全了解該過程，因此我們的測量值可能有助於更好地理解這些材料。作為研究生，這是一個很好的機會，可以觀察到不同的物理領域如何共同努力，並了解發現很少是個人孤立工作的結果。
現在，我們正在嘗試發明其他可以模擬材料的方式。例如，我們正在努力為光晶增添障礙，以了解材料中的雜質如何影響超導性。我們迫不及待想找出接下來會發現的新科學！
- 視頻：冷凍光
編者註： 這項研究得到了國家科學基金會的支持（NSF），聯邦機構負責在科學和工程領域的所有領域資助基礎研究和教育。看到幕後檔案。
