物理学：量子与粒子之间也存在交通堵塞？科學頭條網

德国科学家在超冷量子体系中发现令人惊讶的运输现象。

诸如导热或导电性的传输特性对于材料的技术应用是非常重要的。特别地，电导率源于固体中电子的行为并且非常难以预测。特别是在强相关电子的情况下，当每个单电子的位置和动力学受到所有其他电子的行为的强烈影响时，这是正确的。

光学晶格中的超冷原子可以用作模型系统，允许在清洁和良好控制的环境中研究类似物过程，其中所有相关参数可以通过外部激光和磁场来操纵。Immanuel Bloch教授（慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universität大学和Garching马克斯普朗克量子光学研究所）的科学家与Achim Rosch教授（科隆大学）的理论小组合作，现已证明了系统的动力学被困在光学晶格中的超冷钾原子对粒子相互作用强度的影响非常强烈（Nature Physics 8,213-218）。这种研究为电导率等特性提供了新的见解，超导或磁性，可能有助于开发具有“定制”特性的材料。

通过叠加几个激光束产生所谓的光学晶格。所得到的周期性光结构类似于简单固态晶体的几何形状。实际上，在绝对零度以上几纳米开尔文的温度下，被困在这样的人造晶格中的原子经历与在固态系统中作用于电子的力相似的力。然而，关于它们的动力学，只有费米子原子的行为与电子完全相同，电子也是费米子。如果它们恰好在同一时间位于相同的位置，则这些粒子必须在至少一个量子特性上不同。另一方面，Bosonic粒子更喜欢聚集在完全相同的量子状态。

在实验中，在激光束和磁场的帮助下，将费米子同位素钾-40的原子冷却到极低的温度。然后将它们装入如上所述的光学晶格中。最初，蛋盒状晶格结构的边缘向上弯曲（参见图1，红色和绿色代表原子的不同自旋状态），并且粒子位于中心，具有恒定的密度分布。随后，突然消除了外部限制区域 - 负责晶格的向上弯曲。蛋盒变平，粒子云开始膨胀。现在，物理学家们确切地监测了扩张过程中密度分布的变化。

该实验装置的一个重要特征是使用所谓的Feshbach共振，这使得可以通过几乎任意的磁场改变原子之间的相互作用。这适用于标志 - 有吸引力或令人厌恶 - 以及互动的力量。实际上，可以完全关闭交互。在这种情况下，原子不会彼此“看见”。它们不受阻碍地穿过晶格，它们的速度仅取决于晶格深度。在这种自由膨胀期间，云的对称性从球形初始密度分布变为方形对称性，其由晶格的对称性控制（图1，左）。

一旦存在小的相互作用，原子就会相互碰撞和“阻碍”，从而使云的膨胀速度降低。对于更大的相互作用，越来越多的原子“保持”在云的核心中，这仍然是球形的。对于非常强的相互作用，高密度核心的动态定性地改变：基本上冷冻的核心通过发射粒子溶解并因此缩小尺寸，类似于融化的冰块（图1，右）。

令人惊讶的是，只有相互作用的幅度，而不是重要的标志。观察到的膨胀动力学对于排斥和吸引人的相互作用是相同的，只要它们具有相同的强度即可。“吸引力和排斥性相互作用之间的这种对称性是这些晶格系统的一个有趣特征，”该实验项目负责人Ulrich Schneider博士解释说。“在自由空间中，与相反符号的相互作用会产生相反的效果。在这里，它们可以导致远程原子的量子力学纠缠，并允许产生“正常”或“排斥”的束缚粒子对。“

以前在光学晶格中使用费米子原子的实验集中在平衡系统的性质上。相反，科学家在这里观察到不平衡系统中原子的动力学。这些测量是朝着更好地理解凝聚态物质中的电子运动迈出的重要一步。物理学家希望这些知识能够解释固态物理学和材料科学中的复杂现象，从而解释出新的定制材料。