本文來自“科學(xué)美國人”中文版《環(huán)球科學(xué)》
Efimov態(tài)描述了三個(gè)粒子形成的一個(gè)糾纏態(tài),雖然其中任何兩個(gè)單獨(dú)在一起都會(huì)互相排斥,但三個(gè)粒子同時(shí)存在時(shí)卻能穩(wěn)定地互相吸引。Efimov在多年前就在理論上預(yù)言了這個(gè)奇怪的現(xiàn)象,但直到近年來低溫技術(shù)得到發(fā)展,科學(xué)家們才在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到它。本文介紹了Efimov態(tài)以及相關(guān)
Borromeo環(huán)
在15世紀(jì),有一個(gè)叫作Borromeo的家族,該家族的紋章上畫了三個(gè)交錯(cuò)的圓環(huán)。關(guān)于這個(gè)紋章有很多解釋,其中一個(gè)是說這三個(gè)圓環(huán)代表了Borromeo家族和另外兩個(gè)家族通過姻親結(jié)成的牢不可破的聯(lián)盟,這個(gè)聯(lián)盟持續(xù)了很多個(gè)世紀(jì)。
物理學(xué)上,會(huì)稱這三個(gè)圓環(huán)是“糾纏”的。這個(gè)概念也常常用來描述原子或其它粒子。它是指當(dāng)你拿起這三個(gè)物體中任意一個(gè)時(shí),另外兩個(gè)也會(huì)跟著一塊兒動(dòng);而如果你將任意一個(gè)剪掉(移除),剩下兩個(gè)則會(huì)自動(dòng)分離。若三個(gè)原子也是處于這種狀態(tài),則稱它們處于Efimov態(tài)。最近,Physical
Review Letters上的一篇文章指出,正如原先的理論預(yù)測(cè)的那樣,Efimov態(tài)是尺度可變的。
2007年,物理學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了Efimov態(tài)。從原子的角度來講,Efimov效應(yīng)是指向系統(tǒng)中引入第三個(gè)原子后,原本互相排斥的兩個(gè)原子開始強(qiáng)烈地互相吸引的現(xiàn)象。沒錯(cuò),和人們常說的相反,三人成伴,兩人不歡?。ㄗg者注:英語中有一句習(xí)語,two
is company, three’s a
crowd,意為“兩人成伴,三人不歡”,常用來委婉地勸第三個(gè)人不要干擾自己的約會(huì)。)然而,Efimov效應(yīng)只能在超冷氣體(如銫)中被觀測(cè)到,所需的溫度比絕對(duì)零度只高十億分之一度。這遠(yuǎn)比外太空的溫度(約3K)還低!
Efimov效應(yīng)由俄國科學(xué)家VitalyEfimov提出。1969年時(shí),年輕的Efimov拿到了理論核物理學(xué)博士學(xué)位,年輕的他大膽自信地提出了一個(gè)非常奇怪的預(yù)測(cè):在合適的條件下,兩兩之間本該互相排斥的三個(gè)原子會(huì)互相吸引,而且有著無限個(gè)束縛態(tài)。
他的同事們都認(rèn)為這個(gè)預(yù)測(cè)有點(diǎn)荒謬,可數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明年輕的Efimov說的沒錯(cuò)。年復(fù)一年,理論學(xué)家們都在嘗試推翻Efimov的預(yù)測(cè),然而他們的努力適得其反,反而一再證實(shí)了Efimov預(yù)測(cè)的正確性。但問題是科學(xué)家還是沒能在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到Efimov效應(yīng),因?yàn)橛^測(cè)該效應(yīng)所需要的技術(shù)當(dāng)時(shí)還不存在。事實(shí)上,這也是為什么玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)的理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)相隔了那么久的原因。早在二十世紀(jì)二十年代,愛因斯坦和印度物理學(xué)家玻色就已經(jīng)預(yù)言了該現(xiàn)象,但直到1995年科學(xué)家們才第一次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。
我們都知道所有物質(zhì)都有波粒二相性。常溫下,原子更像一個(gè)個(gè)彈球,互相碰撞,撞上墻壁也會(huì)彈回來。溫度越低,原子的速度也越小。當(dāng)溫度足夠低(絕對(duì)零度以上十億分之一度)時(shí),若原子排列的密度足夠大,波的屬性就能體現(xiàn)出來了。不同的物質(zhì)波能夠“感應(yīng)”到對(duì)方,并且互相協(xié)同,仿佛一個(gè)巨大的“超原子”一樣。這就是BEC。
銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(圖片來源:NIST/JILA/CU-Boulder)
BEC最早由Eric Cornell和Carl
Wieman實(shí)現(xiàn)。他們同時(shí)使用了激光和磁場來實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的冷卻。他們用激光阱冷卻了約一千萬個(gè)銣原子,這些原子由一個(gè)磁場囚禁在一起。
但此時(shí)原子的溫度還是不夠低,因此他們又使用了另一項(xiàng)技術(shù)——“揮發(fā)制冷”技術(shù)。該技術(shù)控制磁場,精確地將溫度最高的原子剔除,這樣溫度較低的其它原子就可以聚得更緊了。其工作原理和每天早上的咖啡慢慢變涼是一樣的原因,溫度較高的原子會(huì)升至磁阱的頂部,并像蒸汽一樣“逃離”磁阱。
1995年6月5日上午10:54是物理學(xué)上的一個(gè)歷史性時(shí)刻,這一刻,Wieman和Cornell對(duì)約2000個(gè)銣原子實(shí)現(xiàn)了BEC,并持續(xù)了15-20秒。之后不久,麻省理工學(xué)院的一位物理學(xué)家Wolfgang
Ketterle也在自己的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了BEC。Wieman、Cornell和Ketterle三人于2001年共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
事實(shí)上,BEC的實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)Efimov效應(yīng)有著重大意義,因?yàn)锽EC開創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域——超冷原子氣。自此之后,科學(xué)家們開始研究超冷原子氣的各種屬性。科羅拉多大學(xué)(University
of Colorado)的Chris
Greene和他的同事最早提出:超冷原子氣正是在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到Efimov效應(yīng)的敲門磚。1999年,激光冷卻技術(shù)的先驅(qū)者——諾貝爾獎(jiǎng)得主Steven
Chu開始在斯坦福大學(xué)嘗試實(shí)現(xiàn)Efimov態(tài)。但即使將溫度降至百萬分之一度,樣本的溫度還是太高了。
模擬Efimov效應(yīng)(圖片來源:Rudolf Grimm)
最后挑戰(zhàn)成功的是澳大利亞物理學(xué)家Rudolf
Grimm。2005年時(shí),他在西雅圖的一個(gè)研討會(huì)上遇到了Efimov,產(chǎn)生了驗(yàn)證Efimov效應(yīng)的興趣。Grimm在茵斯布魯克大學(xué)(University
of Innsbruck)的小組將三個(gè)銫原子放置于真空室中,并用激光致冷技術(shù)和揮發(fā)制冷技術(shù)將溫度降至接近絕對(duì)零度的華氏-459.6
F(譯注:約等于-273.1111℃)。
這里用到的技術(shù)幾乎和實(shí)現(xiàn)BEC所用的一模一樣。假如BEC沒有在過去十年風(fēng)靡物理學(xué)界,Efimov的奇怪預(yù)測(cè)可能一直都沒法驗(yàn)證了。
在和Efimov相遇后的一年內(nèi),Grimm的小組就在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到了Efimov效應(yīng)。他們用的一個(gè)小技巧就是將氣體控制在剛好快凝聚的邊緣狀態(tài),不讓它進(jìn)入BEC態(tài)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果最令人激動(dòng)的一點(diǎn)可能是人們發(fā)現(xiàn)Efimov效應(yīng)具有普適性——任何三個(gè)粒子在超低溫下都可能出現(xiàn)Efimov態(tài)。因此很自然的,該發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個(gè)(對(duì)物理學(xué)家而言)令人激動(dòng)的新領(lǐng)域:相互作用的少體系統(tǒng)(僅有三個(gè)或四個(gè)粒子的系統(tǒng),如原子核)的量子物理。其原因是相對(duì)于別的現(xiàn)象,Efimov態(tài)是研究“少體系統(tǒng)”的上佳素材。
2010年,Grimm的學(xué)生Cheng Chin(如今在芝加哥大學(xué)(University of
Chicago))成功觀測(cè)到了一個(gè)混合Efimov態(tài)。這個(gè)系統(tǒng)同時(shí)包含了低溫下的銫原子和鋰原子。不過物理學(xué)家們最想看到的其實(shí)是Efimov當(dāng)年預(yù)測(cè)的另一個(gè)現(xiàn)象:所謂的“Efimov三聚體”應(yīng)該可以在更大尺度上出現(xiàn)。茵斯布魯克大學(xué)的研究組找到的是最小尺度的Efimov態(tài),按Efimov的計(jì)算,下一個(gè)尺度應(yīng)該能達(dá)到22.7倍大。
為什么這個(gè)現(xiàn)象這么難觀測(cè)到呢?是因?yàn)槌叨鹊淖兓€會(huì)帶來別的影響。當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于Efimov三聚體的結(jié)合能時(shí),三聚體將立刻離散開來。這意味著想要得到第二小的Efimov三聚體,所需要的溫度還得更低,至少也得是原來的515分之一才行(臨界溫度和尺度因子的平方成反比)。茵斯布魯克大學(xué)的研究組利用一種新的阱,做到了這點(diǎn)。他們測(cè)得的尺度系數(shù)是21.0,和Efimov的預(yù)測(cè)值十分接近。
圖片來源:APS/Giovanni Modugno
假如你一直讀到了這里,你可能會(huì)思考:“這些關(guān)我什么事?”這是凝聚態(tài)物理學(xué)家們常常碰到的問題。相比于別的工作(如希格斯粒子或者某種奇異中微子的發(fā)現(xiàn)),他們的工作不太能夠得到媒體的青睞,獲得公眾的注意。
Efimov態(tài)的最新研究確實(shí)很難引起公眾的興趣,很大一部原因是因?yàn)楹茈y說這個(gè)工作除了驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè),并啟發(fā)人們?nèi)ビ贸錃怏w研究奇怪的少體系統(tǒng)以外還有多大意義。不過實(shí)際上,該發(fā)現(xiàn)很可能加深物理學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的理解。
而且完全掌握Efimov效應(yīng)很可能會(huì)讓人在亞原子尺度上操控物質(zhì)最根本的屬性。若是如此,科學(xué)家們將有可能史無前例地控制并創(chuàng)造各種新奇的分子。受人追捧的納米技術(shù)其實(shí)一直以來就是在擺弄物質(zhì)的屬性。假如類似的研究可以拓展到量子層面,這意味著人們甚至可以染指原子之間的相互作用。
暢想完畢,還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題:要達(dá)到可以操縱基本屬性的物質(zhì)狀態(tài),需要接近絕對(duì)零度的溫度才可以,而這依賴于如磁光阱一類的最前沿技術(shù)。所以暫時(shí)還是不要期待Efimov態(tài)能夠讓你的iPhone進(jìn)化。BEC現(xiàn)象也是一樣,這里引用Chad
Orzel在2011年的一段話:
“目前原子BEC系統(tǒng)的最主要應(yīng)用還是在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,而且在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)如此。有時(shí)你會(huì)聽到人們把BEC當(dāng)作一種印刷工具,或是類似的東西。但事實(shí)是,短期內(nèi)BEC都不會(huì)有什么商業(yè)應(yīng)用價(jià)值,因?yàn)樘y生產(chǎn)了。目前還沒有什么方法可以將BEC的產(chǎn)生速率提高至可以商業(yè)使用的程度。因此,BEC的大部分應(yīng)用還是會(huì)局限于科學(xué)研究領(lǐng)域?!?/div>
我覺得同樣的話也適用于Efimov態(tài)。因此假如你覺得這發(fā)現(xiàn)索然無味,我也可以理解。不過不管怎么說,這還是挺了不起的一個(gè)成就,有時(shí)我們也需要為這些不被欣賞的英雄喝彩。他們總是默默在聚光燈照不到的陰影下工作,即使有了重大突破也不受人追捧。他們接下來準(zhǔn)備向更難的目標(biāo)發(fā)起挑戰(zhàn),嘗試實(shí)現(xiàn)第三級(jí)的Efimov態(tài)。按目前的速度,他們很有可能在十年內(nèi)就攻克難關(guān),加油!
作者簡介:Jennifer
Ouelette是一名科學(xué)作家,她擅長利用敏銳的思維找到物理學(xué)和流行文化以及世界之間的奇妙聯(lián)系。你可以在推特上關(guān)注她@JenLucPiquant
本文僅代表作者觀點(diǎn),不代表《科學(xué)美國人》(撰文:詹妮弗?溫莎(Jennifer Ouellette) 翻譯:斑馬線
原文地址:
http://blogs./cocktail-party-physics/2014/05/27/threes-company-twos-a-crowd-meet-the-efimov-effect/
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