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研究人員 物理學家捕捉到兩個原子在相互“交談”

研究人員 物理學家捕捉到兩個原子在相互“交談”
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荷蘭和德國的一組物理學家最近將一束鈦原子放在掃描隧道顯微鏡下。這些原子通過它們的自旋方向，彼此之間保持著持續(xù)的、安靜的相互作用。在一項巧妙的壯舉中，研究人員能夠抓住一對原子，用電流擊打其中一個原子，以反轉(zhuǎn)其自旋。然后，他們測量了它的伴侶的反應(yīng)。
當兩個原子具有相互依賴的自旋時，它們被認為是量子糾纏。這種糾纏意味著一個原子的行為對另一個原子有直接的影響，理論上說，即使它們相隔很遠，這一點也應(yīng)該是正確的。
在這種情況下，鈦原子之間的距離略大于1納米（百萬分之一毫米），距離足夠近，兩個粒子可以相互作用，但足夠遠，研究小組的儀器也可以檢測到這種相互作用。
主持該研究的是荷蘭代爾夫特理工大學卡夫利納米科學研究所的量子物理學家桑德·奧特，他表示：“主要發(fā)現(xiàn)是，我們已經(jīng)能夠觀察到原子自旋在一段時間內(nèi)的相互作用。”奧特進一步解釋說，科學家之前已經(jīng)能夠測量各種原子自旋的強度，以及這種強度對原子能級的影響。但這項實驗讓他們能夠觀察到隨著時間的推移這種相互作用。
實驗物理學的一個很大希望是，有一天研究人員將能夠隨意模擬量子相互作用，按照他們認為合適的方式調(diào)整量子系統(tǒng)，并觀察量子力學是如何發(fā)揮作用的。
實際上，研究人員在這次研究工作中做到了這一點，在一個原子中觸發(fā)了特定的動作，并觀察了隔壁原子的反應(yīng)。
加州大學伯克利分校量子物理學家埃拉·拉赫曼沒有參與這次研究，但他表示：“這是一個非常簡單的‘量子模擬器’的非常好的演示。通過控制原子的位置，理論上我們可以建立一個晶格或任何我們想要研究其動力學的系統(tǒng)的復制品。”
研究小組之所以選擇使用鈦原子，是因為它們的自旋選擇最少（向上或向下）。鈦原子被綁在氧化鎂表面，將它們固定在適當?shù)奈恢靡怨z查。在接近真空的溫度下（僅攝氏1度，或零下457.87華氏度）粘在表面上，物理學家可以在顯微鏡的尖端單獨挑選出原子。
然后，他們可以通過用電脈沖擊打一對原子中的一個原子來逆轉(zhuǎn)原子的自旋，促使其鄰居立即做出反應(yīng)。物理學家桑德·奧特說，通過量子力學定律，這些反應(yīng)是可以預測的。(如果你說“敲門”，你可以肯定下一個粒子會回答“誰在那里？”)。整個過程大約用了15納秒，或者說是十億分之一秒。
研究人員 物理學家捕捉到兩個原子在相互“交談”
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上圖：該小組最近實驗中使用的顯微鏡。
當然，還有其他方式可以解讀量子世界。
科學家能夠通過改變原子的自旋來召喚原子之間的相互作用，但這種相互交流發(fā)生得如此之快，以至于像自旋共振技術(shù)這樣的典型觀察手段，無法捕捉到這種相互作用。量子研究人員經(jīng)常使用微波脈沖來讓原子改變狀態(tài)或以其他方式觀察量子力學，但這種電脈沖方法讓研究團隊能夠感知最微小的相互作用；相當于原子對原子的DM。
對此，也有量子物理學家表示，像自旋共振技術(shù)這樣的方法“太慢了”。你剛剛開始扭動其中一個旋轉(zhuǎn)，另一個就開始旋轉(zhuǎn)了。這樣一來，你就永遠不能研究把兩個自旋放在相反的方向上會發(fā)生什么。
量子物理學家桑德·奧特表示，這一系列研究的真正魔力還沒有到來。
雖然，這種探測映射了兩個原子之間自旋的彈跳，但當你在方程式中加入每個原子時，情況就會變得復雜得多。你可以想象一個電話游戲，參與者既可以傳遞信息，又可以低聲說出信息的來路。來自不同方向的信息將開始交叉，使公報變得混亂。
量子物理學家桑德·奧特還強調(diào)了超越簡單的雙原子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。“如果我們增加到20次旋轉(zhuǎn)，我的筆記本電腦再也無法計算出會發(fā)生什么。在50次旋轉(zhuǎn)時，世界上最好的超級計算機就會放棄，等等。”奧特說。“如果我們想要精確地理解某些材料的復雜行為是如何產(chǎn)生的（一個很好的例子是超導性），我們必須從零開始‘建造’材料，然后看看當原子從10個增加到100個再增加到1000個時，物理定律是如何發(fā)揮作用的。”超導性指的是可以零電阻傳輸電力的材料，這種材料目前只能在非常冷的溫度下才能實現(xiàn)。這就是為什么開發(fā)室溫超導體是物理學的圣杯。它將徹底改變世界。
但在這些更大的數(shù)字上，你開始有一種終極獎勵的感覺。研究人員最終可以聽到與多個原子來回翻轉(zhuǎn)時的量子對話，而不是只聽到一個原子的心與心的交流。當然，我們需要更好的計算機來解決這些難題，但即使是最小的互動也有其自身的重要意義，因為它們可以引發(fā)更大的對話。

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