在各別原子開始集體行為之前,到底需要多少顆粒子?根據一項新研究,這個數字非常地低。只要低達 6 顆原子就能夠在適當的情況下開始轉變為一個巨觀系統。藉由使用特別設計的極冷雷射阱(laser trap),物理學家觀察了從正常轉變成超流體相(superfluid phase)的量子前驅物,提供了方法來研究集體原子行為出現的時機及巨觀系統的極限。

巨觀下的物質

多體物理(many-body physics)是試著描述並了解多個粒子的集體行為的領域,比方說一桶水或一罐氣體。人們可以藉由物質的密度或溫度來描述它們,而這些特性是物質作為一個整體而表現出來的。

這些物質被稱作巨觀或多體系統,而我們無法僅藉由研究各別原子或分子的行為來了解它們。反之,它們的行為來自粒子間的互動,而當各別地看這些粒子時,這些粒子不具有作為整體系統而論的相同性質。

無法以微觀角度來描述的巨觀行為的一些例子包括集體激發(collective excitations),例如在晶格中振盪原子的聲子(phonon)。相轉變是另一個例子,也就是當一個物質從一個相轉變成另一個相,例如當冰融化成液體、或液體蒸發為氣體。

物理學家長期以來都在尋求了解這些集體行為是如何從各別粒子逐漸靠在一起而出現,也就是巨觀現象是如何從微觀現象出現。所以一組來自海德堡大學(University of Heidelberg)的研究團隊就設計了一個實驗來試著找出解答。

實驗設計

這個實驗包括了一個用來「捕捉」鋰的穩定同位素(鋰 6)的極冷原子的緊密聚焦的雷射光束。當在氣體中冷卻至絕對零度以上的幾分之一度時,這個費米子的同位素表現如同超流體,也就是零黏度的液體。

在雷射阱當中,很小數量的鋰原子可被容納,而有效地成為量子行為的模擬器。在這個系統當中,該研究團隊能夠使用費什巴赫共振(Feshbach resonances)來調整原子之間的互動。當兩個互動原子的能量以分子束縛態(bound state)進入共振,費什巴赫共振就會發生,而該些共振能夠被使用來改變粒子間的互動強度。

在每一個實驗中,研究團隊將兩個、六個、或 12 個鋰 6 原子引入了雷射阱中,讓研究人員能夠觀察原子何時開始以集體地方式表現。主要研究員盧卡·拜哈博士(Luca Bayha)解釋到:「一方面,此系統中的粒子數量少到足夠以微觀的方式描述這個系統;另一方面,集體的效果已經很明顯。」

在原子位於雷射阱的狀態下,研究人員調整了阱,從零互動到很強的吸引力,讓原子以束縛對的狀態結合在一起。這是形成費米式超流體的必須條件,即費米粒子必須以表現像玻色子(boson)的庫柏對(Cooper pairs)方式結合在一起,其中玻色子是一種在比起費米子更高的溫度下形成超流體相的較重粒子。

結果與未來發展

在每一個實驗中,團隊根據粒子的數量以及它們之間的互動強度來研究集體行為何時出現。而研究人員發現粒子的激發不僅只與它們之間的吸引力強度有關,也跟庫柏對從量子相的少數體(few-body)前驅物轉變成超流體相有關。

物理學家馬文·荷頓博士(Marvin Holten)說:「我們實驗令人驚訝的結果是,僅要六個原子就能顯示我們預期在多體系統中觀察到的所有相轉變的特徵。」

研究團隊表示,研究人員所獲得的控制程度將會對未來其他研究有用,例如研究量子系統中的熱化(thermalisation)過程。此外,他們還將能夠在基本水平上進行費米式超流體的探測,並研究更大系統中庫柏對的出現。

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參考資料:

  1. Starr, M., (2020, December 18). Quantum Experiment Reveals Particles Can Form Collectives Out of Almost Nothing. ScienceAlert
  2. Bayha, L. et al., (2020, November 25). Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell. Nature. doi.org/10.1038/s41586-020-2936-y
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/quantum-simulator-reveals-that-phase-transition-can-begin-with-just-six-atoms(圖:Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre)
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