原子比以往任何时候都挤得更近，揭示了看似不可能的量子效应

利用巧妙的激光技术，科学家们将成对的原子压得比以往更紧密，揭示了一些真正令人难以置信的量子效应。

科学家们将两层超冷磁性原子压缩到了 50 纳米以内——比之前的实验近了 10 倍——揭示了前所未见的奇异量子效应。

科学家在一项新研究中报告称，这些原子的极其接近将使研究人员能够首次在这种长度尺度上研究量子相互作用，并可能为超导体和量子计算机的发展带来重要进展。 5 月 2 日发表在《科学》杂志上。

当原子被迫占据尽可能低的能量状态时，在超冷温度下开始出现不寻常的量子行为。 “在纳开尔文体系中，有一种物质称为玻色爱因斯坦凝聚，[其中]所有粒子的行为都像波，”麻省理工学院物理学家、领导者李杜该研究的作者告诉《生活科学》杂志。 “它们基本上是量子机械物体。”

这些孤立系统之间的相互作用对于理解超导和超辐射等量子现象尤其重要。但这些相互作用的强度通常取决于分离距离，这可能会给研究这些效应的研究人员带来实际问题。他们的实验受到距离原子的距离的限制。

“冷实验中使用的大多数原子，例如碱金属，必须接触才能相互作用，”杜说。 “我们对镝原子感兴趣，它们很特殊，[因为它们]可以通过偶极-偶极相互作用（相邻原子上部分电荷之间的弱吸引力）在长距离内相互作用。但是，尽管存在这种长距离相互作用，仍然有一些类型的量子现象无法实现，因为这种偶极子相互作用非常弱。”

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将冷原子靠近，同时保持对其量子态的控制是一项重大挑战，到目前为止，实验限制使研究人员无法全面测试有关这些量子相互作用影响的理论预测。

“在普通实验中，我们用光捕获原子，这受到衍射极限的限制——大约 500 纳米，”杜说。 （作为比较，根据国家纳米技术计划，人类头发的宽度在 80,000 - 100,000 纳米之间。）

使用通过透镜聚焦的激光束，研究人员可以创建一个“高斯焦点”，它就像激光束内的能量井一样，将特定的原子捕获在适当的位置。这被称为光学镊子，但镊子的尺寸（能量阱的宽度）受到激光波长的限制。这个最小宽度称为衍射极限。

杜的团队想出了一个巧妙的技巧来突破这个衍射极限，利用镝原子的另一个量子特性：它们的自旋。原子自旋可以向上或向下，但最重要的是，它们的能量略有不同。这意味着该团队可以使用频率和偏振角度略有不同的两束不同的激光束来分别捕获镝原子的自旋向上和自旋向下。

“如果原子 A 看不到光 B，原子 B 也看不到光 A，那么它们基本上具有独立控制，”他解释道。 “由于原子总是精确地位于高斯光束的中心，因此您可以将[两个不同的被捕获粒子]移动到任意靠近的位置。”通过仔细控制两个光镊，杜的团队将自旋向上和自旋向下的镝原子彼此的距离控制在50纳米以内，将相互作用强度从500纳米水平提高了1000倍。

随着双层的建立，研究小组开始了一系列实验来研究近距离的量子相互作用。他们加热了其中一层镝层，通过真空间隙与另一层完全分开。令人难以置信的是，他们观察到热量穿过空白空间传递到第二层。

“通常，你需要接触或辐射来传递热量，而我们这里没有，”杜说。 “但我们仍然看到热传递，这一定是由于长程偶极子相互作用造成的。”

看似不可能的热传递只是该团队研究的奇异效应之一。现在，他们渴望进一步探索这种规模的量子相互作用的潜力。该小组已经开始研究这些双层如何与光相互作用。但杜对另一种量子效应特别感兴趣，称为巴丁-库珀-施里弗（BCS）配对——一些称为费米子的亚原子粒子在低温下经历的量子束缚态。

“层间 BCS 配对对于超导性非常重要，”他说。 “几年前，一篇理论论文预测，如果我们有这种双层系统，通过长程偶极子-偶极子相互作用，就可以形成 BCS 对。以前我们无法通过实验看到这一点，但现在可以了我们的系统可以实现这一点。”