物理学：物质波的量子动力学揭示了奇异的多体碰撞！
在极低的温度下，原子会聚集成所谓的玻色爱因斯坦凝聚体，形成相干的激光状物质波。由于原子之间的相互作用，基本的量子动力学出现并引起物质波场的周期性崩溃和复苏。
由Immanuel Bloch教授（德国Garching的马克斯普朗克量子光学研究所）领导的一组科学家现在已经成功地了解了原子相互作用的“幕后”，揭示了这些量子动力学的复杂结构。通过在光学晶格中生成数千个微型BEC研究人员能够在很长一段时间内观察到大量的崩塌和复苏周期。实验结果意味着原子不仅成对地相互作用 - 如通常所假设的那样 - 而且还同时进行涉及三个，四个或更多原子的奇异碰撞。一方面，这些结果对于理解量子多体系统具有根本重要性。另一方面，它们为基于这种多体相互作用产生新的奇异物质状态铺平了道路。
该实验首先将数十万个原子的稀薄云冷却至接近绝对零度（约-273摄氏度）的温度。在这些温度下，原子形成所谓的玻色 - 爱因斯坦凝聚体（BEC），这是一种量子相，其中所有粒子都占据相同的量子态。现在光学晶格叠加在BEC上：这是一种由光线组成的人造晶体，具有周期性排列的亮区和暗区，由不同方向的驻波激光光的叠加产生。这种晶格可以看作原子分布在其上的“蛋盒”。而在真正的鸡蛋盒中，每个部位要么被一个鸡蛋占据，要么没有鸡蛋，每个格子位置的原子数量由法律确定。量子力学：根据晶格高度（即激光束的强度），单个晶格位置可以同时被零个，一个，两个，三个和更多个原子占据。
这些“原子数叠加态”的使用是研究人员开发的新型测量原理的关键。原子数状态的动力学可以与摆动摆的动力学进行比较。由于不同长度的钟摆具有不同的振荡频率，因此同样适用于不同原子数的状态。“然而，这些频率是通过原子间碰撞来修改的。如果只存在原子之间的成对相互作用，代表各个原子数状态的钟摆将同步摆动，它们的振荡频率将是两个相互作用原子的摆频的精确倍数” ，实验研究生塞巴斯蒂安威尔解释说。
使用棘手的实验装置，物理学家能够跟踪不同叠加振荡随时间的演变。周期性干涉图案一次又一次地变得可见和消失。从它们的强度和周期性来看，物理学家们发现了明确的证据，即频率实际上不是两体情况的简单倍数。“这真让我们感到惊讶。我们意识到一个更复杂的机制必须起作用”，Sebastian Will回忆道。“由于它们的超低温度，原子占据了能量最低的可能量子态在每个格子站点。尽管如此，海森堡的不确定性原理允许他们在碰撞过程中通过能量较高的量子态来实现虚拟绕行。实际上，这种机制会产生奇异的碰撞，同时涉及三个，四个或更多的原子。”
“ 自然 ”杂志上报道的结果提供了对微观粒子之间相互作用的更好理解。这可能不仅具有基本的科学意义，而且可以直接应用于光学晶格中的超冷原子。由于特殊的实验可控性，超冷原子在光学晶格中可以形成“量子模拟器”来模拟凝聚态物质系统。这种量子模拟器有望帮助理解超导或量子磁学背后的物理学。此外，由于每个晶格位置代表用于产生外来量子态的微型实验室，使用光学晶格的实验装置可能变成用于观察原子碰撞的最灵敏的探针。
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