MIT物理学家观察超冷原子形成量子龙卷风晶体

诸平 

Just like the formation of weather patterns on Earth, here a spinning fluid of quantum particles breaks up into a crystal formed from swirling, tornado-like structures. Credits:Credit: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院新闻办公室（MIT News Office）2022年1月5日发布的消息，MIT物理学家观察超冷原子形成量子龙卷风晶体（Physicists watch as ultracold atoms form a crystal of quantum tornadoes），新观察记录了从经典行为到量子行为的关键交叉。

我们所经历的世界是由经典物理学支配的。我们如何移动、我们在哪里以及我们前进的速度都是由经典假设决定的，即我们只能在任何时刻存在于一个地方。但在量子世界中，单个原子的行为受一个怪异的原理支配，即粒子的位置是概率。例如，一个原子有一定的机会在一个位置，在同一时间内，另一个机会在另一个位置。

当粒子相互作用时，纯粹是由于这些量子效应的结果，就会出现一系列奇怪的现象。但是在经典世界的压倒性噪音中观察相互作用粒子的这种纯量子力学行为是一项艰巨的任务。

现在，麻省理工学院的物理学家已经直接观察到了特定物质状态下相互作用和量子力学的相互作用：超冷原子的旋转流体。研究人员预测，在旋转流体中，相互作用将占主导地位，并驱使粒子表现出奇特的、前所未见的行为。相关研究结果于2022年1月5日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric C. Wilson, Valentin Crépel, Richard J. Fletcher, Martin Zwierlein. Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas. Nature, Published: 05 January 2022, 601: 58–62. DOI: 10.1038/s41586-021-04170-2. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

在此项研究中，麻省理工学院的团队快速旋转了一种超冷原子的量子流体。他们看着最初的圆形原子云首先变形为细长的针状结构。然后，当经典效应应该被抑制，只留下相互作用和量子定律来支配原子的行为时，针状结构自发地变成了一种晶体模式，类似于一串微型量子龙卷风（见上图所示）。

麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻（Richard Fletcher）说：“这种结晶纯粹是由相互作用驱动的，它告诉我们，我们正在从经典世界进入量子世界。”

这些结果是快速旋转的量子气体演化的第一个直接原位记录。麻省理工学院托马斯·弗兰克（Thomas A. Frank）物理学教授马丁·茨维尔莱因（Martin Zwierlein）表示，自旋原子的演化与地球自转如何产生大规模天气模式大致相似。马丁·茨维尔莱因指出：“解释地球自转效应的科里奥利效应（Coriolis effect）类似于解释带电粒子在磁场中的行为的洛伦兹力（Lorentz force）。即使在经典物理学中，这也会产生有趣图案形成，就像云层以美丽的螺旋运动环绕地球。现在我们可以在量子世界中研究这个。”

自旋替身（Spinning stand-ins）

在20世纪80年代，物理学家开始观察称为量子霍尔流体（quantum Hall fluids）的新物质家族，它由漂浮在磁场中的电子云组成。这些粒子并没有像经典物理学预测的那样相互排斥并形成晶体，而是以一种相关的量子方式，根据它们邻居的行为来调整自己的行为。

理查德·弗莱彻说：“人们发现了各种惊人的特性，原因是，在磁场中，电子（通常）被冻结在原地——它们的所有动能都被关闭了，剩下的就是纯粹的相互作用。所以，整个世界出现了。但对其的观察和理解却非常困难。”

特别是，磁场中的电子以很难看到的非常小的运动在运动。马丁·茨维尔莱因教授和他的同事们推断，由于旋转中原子的运动发生在更大的长度尺度上，他们可能能够使用超冷原子作为电子的替代品，并且能够观察到相同的物理现象。马丁·茨维尔莱因说：“我们想，让这些冷原子表现得好像它们是磁场中的电子一样，但我们可以精确控制。然后我们可以想象单个原子在做什么，看看它们是否遵循相同的量子力学物理学（quantum mechanical physics）。”

旋转木马中的天气（Weather in a carousel）

在他们的新研究中，物理学家使用激光捕获了大约 100 万个钠原子云，并将这些原子冷却到大约 100 纳开尔文（100 nanokelvins）的温度。然后，他们使用电磁铁系统产生一个陷阱来限制这些原子，就像碗中的弹珠一样，并以约100转/秒的速度共同旋转这些原子。

该团队用相机对钠原子云进行了成像，捕捉到了一个类似于儿童在游乐场旋转木马上面向中心时的视角。大约100毫秒后，研究人员观察到原子旋转成一个长长的针状结构，达到临界的量子薄度。

马丁·茨维尔莱因说：“在经典流体中，比如香烟烟雾，它只会变得越来越稀薄。但在量子世界中，流体达到了它可以变薄的极限。”

理查德·弗莱彻补充说：“当我们看到它已经达到这个极限时，我们有充分的理由认为我们正在敲开有趣的量子物理学的大门。那么问题来了，在纯粹的旋转和相互作用的影响下，这种细如针的液体会做什么？”理查德·弗莱彻与马丁·茨维尔莱因等人一起，于2021年6月18日在《科学》（Science）刊发的一篇科学论文中发表了迄今为止的结果。详见Richard J. Fletcher, Airlia Shaffer, Cedric C. Wilson, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Valentin Crépel, Biswaroop Mukherjee, Martin W. Zwierlein. Geometric squeezing into the lowest Landau level. Science, 18 Jun 2021, 372(6548): 1318-1322. DOI: 10.1126/science.aba7202. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba7202

在他们的新论文中，该团队将他们的实验更进一步，以了解针状流体将如何演变。随着流体继续旋转，他们观察到一种量子不稳定性开始出现：针开始摇晃，然后螺旋式转动，最后破成一串旋转的斑点，或微型龙卷风——一种量子晶体（quantum crystal），纯粹由气体的旋转和原子之间的力相互作用而产生。  

马丁·茨维尔莱因解释说：“这种演变与中国的蝴蝶如何在中国制造风暴的想法有关，因为不稳定会引发湍流。在这里，我们有量子天气（quantum weather）：流体，只是因为它的量子不稳定性，分裂成这种由较小的云和漩涡组成的晶体结构。能够直接看到这些量子效应就是一个突破。”

这项研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）、空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research）、海军研究办公室（Office of Naval Research）、万尼瓦尔·布什教员奖学金（Vannevar Bush Faculty Fellowship）以及美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency简称DARPA）的部分支持。

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Abstract

The dominance of interactions over kinetic energy lies at the heart of strongly correlated quantum matter, from fractional quantum Hall liquids¹, to atoms in optical lattices² and twisted bilayer graphene³. Crystalline phases often compete with correlated quantum liquids, and transitions between them occur when the energy cost of forming a density wave approaches zero. A prime example occurs for electrons in high-strength magnetic fields, where the instability of quantum Hall liquids towards a Wigner crystal^4,5,6,7,8,9 is heralded by a roton-like softening of density modulations at the magnetic length^7,10,11,12. Remarkably, interacting bosons in a gauge field are also expected to form analogous liquid and crystalline states^{13,14,15,16,17,18,19,20,21}. However, combining interactions with strong synthetic magnetic fields has been a challenge for experiments on bosonic quantum gases^18,21. Here we study the purely interaction-driven dynamics of a Landau gauge Bose–Einstein condensate²² in and near the lowest Landau level. We observe a spontaneous crystallization driven by condensation of magneto-rotons^7,10, excitations visible as density modulations at the magnetic length. Increasing the cloud density smoothly connects this behaviour to a quantum version of the Kelvin–Helmholtz hydrodynamic instability, driven by the sheared internal flow profile of the rapidly rotating condensate. At long times the condensate self-organizes into a persistent array of droplets separated by vortex streets, which are stabilized by a balance of interactions and effective magnetic forces.