麻省理工学院物理学家在纪录高磁场中创造一个超流

Ketterle组使用的设备创建Superfluids。照片：布莱斯维基马

来自麻省理工学院的物理学家创造了一种超流量气体，所谓的Bose-Einstein冷凝物，首次在极高的磁场中。

磁场是合成磁场，使用激光束产生，比世界上最强的磁体更强100倍。在这个磁场中，研究人员可以保持气体超流量的十分之一 - 只需要足够长的球队观察它。研究人员本周在杂志自然物理学中向期报告结果。

超流是一种物质的相位，即只有某些液体或气体可以假设，如果它们被冷却至极低的温度。在接近绝对零的温度下，原子停止了他们的渗透，精力充沛的轨迹，并开始集体作为一波移动。

Superfluids被认为无休止地流动，而不会失去能量，类似于超导体中的电子。因此，观察超流体的行为可以帮助科学家提高超导磁体和传感器的质量，并开发用于运输电力的节能方法。

但Superfluids是气质的，如果原子不能冷却或限制，则可以在闪光灯中消失。麻省理工学院团队结合了几种技术，在产生超级温度下，创造和维持超流气体，足以在超高的合成磁场观察其。

“走向极端是制作发现的方式，”John D. Mit Macarthur教授的Mit Macarthur教授Mit Macarthur教授。“我们使用Ultracold原子来映射并理解尚未创建的材料的行为。从这个意义上讲，我们领先于自然之上。“

Ketterle的团队成员包括科林肯尼迪，威廉科迪伯顿的研究生，沃戈·昌涌。

带循环的超级流动

该团队首先使用了激光冷却和蒸发冷却方法的组合，最初由Ketterle共同开发，以将铷原子冷却至Nanokelvin温度。铷原子被称为骨髓，用于偶数核磁和电子。当冷却到绝对零附近时，玻色子形成了所谓的Bose-Einstein凝结物 - 一种由Ketterle首次共同发现的超流状态，以及他最终授予2001年诺贝尔物理奖。

冷却原子后，研究人员使用一组激光器来产生晶体阵列或光学晶格。激光束的电场产生了已知的周期性潜在景观，类似于蛋纸盒，其模仿真正的结晶材料中颗粒的规则排列。

当带电粒子暴露于磁场时，它们的轨迹弯曲成圆形轨道，导致它们环绕周围。磁场越高，粒子的轨道越小。然而，为了将电子限制为晶体材料的微观尺度，需要比世界上最强磁体更强的磁场100倍。

该小组询问这是否可以在光学晶格中用超级原子进行。由于Ultracold原子没有充电，因为电子是中性颗粒，因此它们的轨迹通常不受磁场影响。

相反，MIT组利用了一种使用激光束产生合成，超高磁场的技术，以在微小的轨道上推动原子，类似于真实磁场下的电子轨道。2013年，Ketterle及其同事展示了该技术，以及德国的其他研究人员，它使用光学晶格和两个附加激光束的倾斜来控制原子的运动。在平坦的晶格上，原子可以容易地从现场移动到现场。然而，在倾斜的格子中，原子必须与重力一起工作。在这种情况下，原子只能在激光束的帮助下移动。

“现在，激光束可用于使中性原子在强磁场中像电子一样移动，”肯尼迪增加。

使用激光束，该组可以使原子轨道或环绕，或环绕到一个小于两个格式的半径，类似于粒子在极高的磁场中移动的方式。

“一旦我们有了这个想法，我们就会对此感到非常兴奋，因为它很简单。我们所要做的就是采取两个合适的激光束，并在比角度仔细对准它们，然后原子大大改变了他们的行为，“肯尼迪说。

“已知物理学的新观点”

在开发倾斜技术以模拟高磁场之后，该组的工作成了一年半，以优化激光器和电子控制，以避免任何外来推动原子，这可能使它们失去其超流性质。

“这是一个复杂的实验，具有很多激光束，电子和磁铁，我们真的必须稳定一切，”伯顿说。“这需要很长时间只是为了熨烫所有细节，最终在这些高领域的存在下有这种超薄物质，并使他们冷却 - 其中一些是艰苦的工作。”

最后，研究人员能够保持超流体稳定的稳定为十分之一。在此期间，该团队花费了原子分布的飞行时间，以捕获超流体的拓扑或形状。这些图像还揭示了磁场的结构 - 已知的东西，但直到现在直接可视化。

“主要成就是我们能够验证和识别超流状态，”Ketterle说。“如果我们可以获得更好的控制下的合成磁场，我们的实验室可能会对这一主题进行研究。对于专家来说，它打开的是一个新的窗口进入量子世界，可以研究具有新物业的材料。“

展望未来，团队计划进行类似的实验，而是在超薄原子之间添加强烈的相互作用，或纳入不同的量子态，或旋转。Ketterle表示，此类实验将研究对材料研究中的重要前沿的研究，包括量子霍尔物理和拓扑绝缘体。

“我们正在为物理添加新的视角，”Ketterle说。“我们正在触及未知，但也显示原则上是已知的物理学，而是以新的清晰度。”

本研究由国家科学基金会资助的科学研究，科学研究和陆军研究办公室资助。

出版物：科林J.肯尼迪等，等，“观察强大的合成磁场中的Bose-Einstein凝结，”自然物理（2015）; DOI：10.1038 / nphys3421