物理学家观察到由超冷原子形成的令人难以置信的“量子龙卷风”

科学家们观察到经典物理学让位于量子行为的惊人演示，将超冷钠原子流体操纵成独特的龙卷风状结构。

粒子在量子层面上的行为有所不同，部分原因是此时它们之间的相互作用比它们运动产生的能量对它们具有更大的影响力。

当然，还有一个令人难以置信的事实，即量子粒子没有确切的固定位置就像你或我一样，这会影响他们的互动方式。

通过将粒子冷却到尽可能接近绝对零并消除其他干扰，物理学家可以观察当这些奇怪的相互作用发生时会发生什么，正如麻省理工学院的一个团队刚刚所做的那样。

“能够直接看到这些量子效应是一个突破，”说麻省理工学院物理学家 Martin Zwierlein。

该团队使用激光和电磁体捕获并旋转了约 100 万个钠原子的云。在之前的研究中物理学家证明这会将云旋转成长针状结构，玻色-爱因斯坦凝聚，其中气体开始表现得像具有共享属性的单个实体。

“在传统的液体中，比如香烟烟雾，它只会变得越来越稀，”说茨维尔莱因。 “但在量子世界中，流体的稀度达到了极限。”

在这项新研究中，麻省理工学院的物理学家 Biswaroop Mukherjee 及其同事超越了这一阶段，捕捉了一系列吸收图像，揭示了原子从主要受经典物理学支配转向量子物理学支配后发生的情况。

下图突出显示了微秒内超冷原子的密度。

（Mukherjee 等人，《自然》，2022 年）

原子云从针状凝聚体（左）演化而来，经过蛇形不稳定性（中），形成微小的龙卷风（右）。

相邻晶体之间甚至存在微小的黑点（参见下面的“x”标记），在那里发生逆流涡流——就像我们在复杂的天气系统中看到的那样（想想邻近的风暴））。

（Mukherjee 等人，《自然》，2022 年）

“在这里，我们有量子天气：流体仅仅由于其量子不稳定性，就分裂成较小的云和漩涡的晶体结构，”解释两个小家伙。

“这种演变与中国的蝴蝶如何因引发湍流而引发风暴（在美国）的想法有关。即使在经典物理学中，这也会产生有趣的图案形成，就像云层包裹着地球一样现在我们可以在量子世界中研究这一点。”

该团队控制了系统，因此没有其他东西对原子对象施加力。这意味着只有粒子本身的相互作用和它们的旋转在起作用。他们的行为结果显示超固体性质，有点像电子以维格纳晶体。

虽然传统的晶体固体通常由排列成固定、重复网格结构的原子组成，但这些结构不断波动，但保持在可定义的模式内——就像液体通过保持和流过固定形状而假装成固体。

该团队本质上使原子的行为就像磁场中的电子一样。以这种方式使用原子使得所产生的量子现象更容易操纵和观察——为更多关于这个令人费解的世界的发现开辟了道路。

“我们可以想象单个原子正在做什么，看看它们是否遵循相同的量子力学物理学，”说两个小家伙。

这项研究发表于自然。