量子态铁磁流体：一种微磁体的玻色爱意斯坦凝聚

by Sourish Basu

translated by rocdawn

原文来自科学美国人2007-8-14

铬的微磁体原子展现出超流动性，并有具有奇特量子状态的可能性。

人们已经了解到，恰与常识（如同种电荷相斥）相反， 在低温下固体中电子趋向于成对存在以在不产生热量的前提下传到电流，也就是“超导”的现象。

在其他事物之中，超导已经被用来在磁共振成像仪中产生强磁场。这种现象包含对一组在同一量子态同步舞动的玻色子（想成对电子的粒子）的浓缩。被认作玻色爱因斯坦凝聚，这种特殊的物质状态与我们熟知的固体.液体或气体不同，并且可以被用来发射原子激光和制作更加精确的时钟。上周，在德国斯图加特大学，Thierry Lahaye领导一组 物理学家在自然杂志上宣布他们创造出像微磁体一样可以 在显著的无限远距离上相互作用的铬原子的玻色爱因斯坦 凝聚体。在这个项目中，原子可以形成在传统相互作用中 不可能形成的物质状态----像比液体流动性更好的固体和像棋盘一样排列在一起的原子。

为了实现同步振动，玻色子需要在相互作用中互相感知。自从1995年第一个玻色爱因斯坦凝聚态在玻色碱性原子，（如锂原子.铷原子和钠原子）中发现这种相互作用和等方相互作用被限制在短距离内（有效范围不超过几个纳米）。这种原子就像微小的球，因此对于它们来说没有向上的一级，并且从各个方向看上去都它是一样的。但是物理学家们一直知道，一些原子有时会表现得想微小的磁体球，并且磁体当然会有一级向上；将两个磁体移近，反转其中一个，那么吸引将转变为排斥。所以问题在于能否用原子形成像微磁体一样相互作用的玻色爱因斯坦凝聚体。

一个难题是任何原子-原子相互作用中偶极性部分（磁性的）总是比在玻色爱因斯坦凝聚中占优势的等方性部分（像球一样的）小很多。幸运的是，等方性部分的力可以通过把原子放在电磁体附近使之调整到适应这种磁力而转变，甚至是将吸引为排斥（反之亦可）。

研究者们说，另外一个问题是碱性原子----形成玻色爱因斯坦凝聚的主要候选者----是非常弱的磁体。这个问题可以通过选用玻色态原子来解决，例如铬-52，磁性是锂原子的6倍。

因此Lahaye的团队在激光柱中捕获铬-52，把它们置于磁场中，改变磁场强度，直至等方相互作用减小到极弱而使偶极性部分占优势。完全归功于偶极相互作用，这些铬原子形成寿命几纳秒的玻色爱因斯坦凝聚体，并且当限制解除，会展现出密度峰值作为玻色爱因斯坦凝聚的“烟管”。

除了方向决定性，偶极相互作用比作用范围仅几个纳米的等方相互作用长得多，Lahaye指出。理论学家们曾经预言，在这种远程相互作用中的原子会具有奇异的量子状态像超固体结晶。在这种结晶中，一些原子可以无阻流动，并且具有所谓的“跳棋盘状态”----原子按照既定的格子占据每一个位置。

莱斯大学的Randall Hulet说，这是一个理论学家们研 讨多年的课题······并且最终实验物理学家将赶上。他是一个实验物理学家，并且也是创造出第一个玻色爱因斯坦凝聚的科学家之一。