幕后文章是与国家科学基金会合作提供给生活方面的。
我们大多数人都同意，32°F（水冻结的温度）是一个非常寒冷的一天，但是-320°F，氮的沸点……或-452°F的沸点，氦气的沸点呢？
与我一起作为教授的研究生工作的原子气体相比，这些温度非常热。布莱恩·德马科（Brian DeMarco）伊利诺伊大学的实验室。我们对原子气体进行的实验仅在绝对零（-459.67°F）以上的10亿分之一（-459.67°F）上。
室温下的原子以每秒约500英尺的速度移动，但是在我们冷却后，它们以每秒十分之一英寸的速度移动，比普通花园蜗牛的最高速度慢10倍。我们如何完成这一壮举？
关键是激光和蒸发冷却的组合。使用激光器的制冷似乎很奇怪，因为激光器可以用来切割和标记不锈钢，例如iPod的背面。我们的实验中的激光光包括数十亿个称为光子的小包包，每秒飞过原子，因为它只会从原子散布向激光光移动，从而使它们放慢速度。您可以想象，此过程类似于使用朝相反方向行驶的许多网球流减速汽车的过程。
捕获原子
激光冷却仅限于将原子气的温度冷藏到超过绝对零以上的一百万度。因此，就像您的身体汗水调节温度一样，我们使用蒸发冷却来达到实验中最低温度。
激光冷却后，我们关闭所有光线，并使用磁铁将原子捕获。我们迫使最高的能量原子离开，而留下的原子变得更冷。我们不必担心冻伤，因为所有这些都发生在绝缘真空容器中。
我们将这些原子冷却到如此低的温度，以使它们的行为受量子效应的主导。
量子力学似乎似乎是异国情调的，但是它会影响生活的各个方面，从新陈代谢的化学基础到防止脚落在地板上的力量。许多粒子的量子行为在一起是许多现代技术的基础。例如，诸如计算机芯片中的半导体之类的材料由通过离子形成的晶体组成的电子组成，使用这些电子的量子行为来制造晶体管。材料中的某些量子效应尚不清楚，例如“高温”超导体内部发生的事情，这些导体可以在高于氮的沸点高的温度下运行。在超导体中，通过材料流动的电阻在一定温度以下消失。
如果在更高的温度下运行，则可以在全国各地的医院MRI机器中常见的超导体（例如，节省电力从电站传输电力到房屋）的能源。物理学家不知道该如何实现这一目标，因为我们对高温超导体的工作程度不大。
我们甚至不能使用我们最强大的超级计算机为了模拟这些材料 - 现在，我们只能计算大约10个电子的行为，而超导线中的数十亿个电子。每10年，计算机速度的进步就可以让我们在计算机模拟中仅添加一个电子。我们正在尝试使用一种称为量子模拟的截然不同的方法在实验室中阐明这些材料。
我们已经构建了一个系统，该系统用超冷原子和带有光晶体的离子晶体代替电子。结果就是我们所说的量子模拟器，因为我们已经用一些可以轻松测量和操纵的东西代替了希望理解的系统。实际材料需要敏感的探针来查看电子以及特殊和耗时的技术以改变材料特性。借助我们的模拟器，我们可以通过更改实验室中的旋钮直接对原子进行映像并改变“材料”的性质。
理查德·费曼（Richard Feynman）在1981年首先想象的是使用一个量子系统模拟另一个量子系统的想法，一位物理学家授予诺贝尔奖1965年，他协助了解O形圈失败是如何导致1986年挑战者灾难的。
研究生做什么
作为这样的项目的研究生需要许多责任。首先，我们必须构建模拟器，这是在实验室中可以完成的关于大卧室大小的最复杂的实验之一。该设备分布在两个重1000磅的钢桌子上，并用活塞漂浮以减少振动。该实验使用了10多种不同的激光器以及数百个镜子和镜头。我们有电子组件和几台计算机的架子来运行整个内容。幸运的是，我们只需要设置一次。
我作为研究生的角色主要涉及进行实验和进行测量。
有时我们会牢记一定的结果。但是，像所有科学一样，通常会涉及一些运气。每隔一段时间，我们都会得到我们一开始无法理解的结果。这些是最令人兴奋的，因为它们通过挑战我们已经知道的东西来增加我们的知识。
我们最近的发现涉及一组实验，探讨了通过光晶体移动的原子。我们发现，量子涡流（类似于浴缸中的漩涡）在放慢原子方面发挥了作用。为了了解这一结果，我们必须与伊利诺伊州的研究人员进行交谈，后者与超导电线和床单一起工作。他们告诉我们，已经观察到涡流中断微小的超导电线中的电子流，但是尚不完全了解该过程，因此我们的测量值可能有助于更好地理解这些材料。作为研究生，这是一个很好的机会，可以观察到不同的物理领域如何共同努力，并了解发现很少是个人孤立工作的结果。
现在，我们正在尝试发明其他可以模拟材料的方式。例如，我们正在努力为光晶增添障碍，以了解材料中的杂质如何影响超导性。我们迫不及待想找出接下来会发现的新科学！
- 视频：冷冻光
编者注： 这项研究得到了国家科学基金会的支持（NSF），联邦机构负责在科学和工程领域的所有领域资助基础研究和教育。看到幕后档案。
