超冷原子串成项链 百年量子预言添新证据

奥地利因斯布鲁克大学的物理团队在超冷原子实验中，为近百年前的一个量子预言找到了新的证据支持。研究于8月29日发表在《自然·通讯》上。1931年，年轻物理学家汉斯·贝特在用量子力学解释磁性材料时，算出了一维电子链的行为规律：链上少数自旋翻转后不会各自散开，而是粘在一起、作为一个整体沿链传播。

后来的物理学家发现，贝特的数学方法同样适用于沿直线排列的更大粒子，比如原子。如果这些原子相互吸引，它们会绑成大小不一的聚集体——这就是所谓“Bethe弦”。过去人们只在磁性晶体和超导量子电路中零星捕捉到过单个Bethe弦；而理论预言，大量不同尺寸的弦同时存在会改变整个系统的行为。难点在于：让原子相互吸引又不塌缩。

研究团队把数万个铯原子冷却成玻色-爱因斯坦凝聚体，再用激光把它切成数千根细管，每根细管里只有几十个原子排成一线。研究人员先用磁场把原子间的排斥调到零，再转为吸引。论文合作者、实验物理学家汉斯-克里斯托夫·内格尔打了个比方：这些原子就像项链上的珍珠，谁也越不过谁——在三维里这样的气体早就塌缩了，但在一维它不会。

弦本身是看不见的。团队的办法是“放手”测量：让原子云自由膨胀。只允许沿管道方向膨胀时，弦保持完整；放开到三维时，弦断裂，结合能以运动的形式释放出来。测量显示，三维膨胀携带的能量约是一维情形的三倍。据此推算，这些弦至少由6个原子组成，且观测结果与“广义流体力学”理论的预测高度吻合。

内格尔强调，理论与数据吻合并不等于证明，“这只是更多支持性证据”。弦也很短命：在最冷的实验中约40％的原子消失，弦最终会衰变成普通的铯分子。团队设想了后续方案——用微波屏蔽的超冷分子让弦活得足够久以便直接观测，或用能逐个成像原子的量子气体显微镜寻找更直接的证据。

这项研究的价值不在造出新器件，而在回答物理学的根本难题：我们身边的一切——从磁铁到手机芯片——都由无数相互作用的粒子组成，其行为极难预测，而超冷原子为研究这类复杂系统提供了干净、可调的实验平台。内格尔的长期目标是像搭积木一样同时控制每个粒子的运动和自旋，逐块“拼装”出模型材料。

编译自 Live Science，原标题：“Physicists froze a ‘necklace’ of atoms — and witnessed a quantum phenomenon predicted 100 years ago”