物理学家将150个离子晶体“瞬间冻结”！

博科园：本文为粒子物理学类

美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家们已经“瞬间冻结”了一块由150个铍离子(带电原子)组成的扁平晶体，这为在量子尺度上模拟磁场和感知来自神秘暗物质信号开辟了新的可能性。几十年来，许多研究人员一直试图将足够大到肉眼可见的振动物体冷却到量子力学允许的最小运动点。越冷越好，因为它使设备更敏感，更稳定，变形更少，因此，在实际应用中更有用。然而，到目前为止，研究人员只能减少几种类型的振动。在NIST的实验中，磁场和电场冷却并捕获离子，使其形成直径小于250微米(百万分之一米)的圆盘。

博科园-科学科普：圆盘被认为是一种晶体，因为离子是按规则的重复模式排列。正如《物理评论快报》论文所描述的，NIST研究人员在200微秒(百万分之一秒)的时间内冷却了晶体，这样每个离子所携带的能量只有一个声子(晶体中的一包运动能量)所携带能量的三分之一。这是非常接近能量量在最低可能量子“基态”晶体所谓的“鼓头”振动，这是类似于一个跳动的鼓的上下运动。研究人员冷却并减缓了所有150个鼓头的振动，每个鼓头对应一个离子。这项研究表明，使用这种技术，数百个离子可以集体平静下来，这是一个重大的进步，比之前的另一组冷却18个离子。

振动的铍离子(带电原子)被困在晶体结构中的说明，NIST的研究人员冷却并减缓这些“鼓头”振动到几乎不动。图片：Jordan/NIST

对于在该演示中冷却的频率振动，声子携带能量的三分之一对应于50微开尔文，或高于绝对零度（零下459.67°F或负273.15°C）的百万分之五十五分之一，虽然不是破纪录的温度，但这个水平接近所有鼓头模式的量子力学基态，这意味着对于这样一个高度受限的系统来说，热运动很小。为了实现如此多的冷却，研究人员将两束特定频率和功率级别的激光对准晶体。激光使离子的能级耦合，从而使离子晶体在不增加其运动的情况下失去能量。对于大多数被晶体散射的激光粒子，离子失去运动，冷却晶体。

这种方法不能冷却其他类型的振动，比如圆盘状晶体的左右运动。但是鼓头运动有最实际的用途。只有鼓头振动用于量子模拟和量子感测器。更冷的鼓头振动将使离子晶体成为更真实的量子磁性模拟器，这在传统计算机上很难计算。基态冷却还应该使更复杂的纠缠量子系统成为可能，从而为量子感测应用提供更好的测量。研究人员感兴趣的量子感测应用是对非常弱的电场感测，通过基态冷却，提高了感知电场的能力，使我们能够搜索某些类型的暗物质——轴子(假设的亚原子粒子)和隐藏的光子(尚不可见的力载流子)。未来的研究将尝试冷却含有大量离子的三维晶体。

博科园-科学科普｜研究/来自: 国家标准与技术研究所

参考期刊文献:《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.053603

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