“高温”玻色—爱因斯坦凝聚,你是怎样的存在?

2018年05月14日09:26  来源:科技日报
 
原标题:“高温”玻色—爱因斯坦凝聚,你是怎样的存在?

400nK、200nK和50nK温度下的玻色—爱因斯坦凝聚。波峰表示随着温度下降,越来越多的原子“凝聚”到同一能态。图片来自网络

迄今为止,科学家还没有研制出真正意义上的量子计算机。实现量子计算的关键在于对微观量子态的构造以及精确操纵。玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)是一个很好的出发点,因为它提供了很多相同量子态的粒子,可用以构建量子器件、量子开关,甚至实现量子计算。

美国麻省理工学院孙永宝博士担纲的研究团队,通过建立光学谐振的激子等离激元体系,首次在40K的温度下实现了BEC,并初步展示出易操控易观测的性质,为人类实现量子计算机梦想向前迈近了一步。日前,孙博士向科技日报记者介绍了BEC的进展和最新突破。

最冷的相

根据量子力学,微观粒子具有波粒二象性。以原子为例,它既是粒子也是波。气态原子在常温下表现出经典粒子的特点,随着温度降低,波动性不断增强,经典物理的统计方法将不再适用。1925年,爱因斯坦预言,当温度降到足够低时,本来各自独立的原子会变成一群“集体主义”的原子,“凝聚”在一个相同的量子状态,整个系统就会形成“玻色—爱因斯坦凝聚”。这种状态也被称为与气相、液相、固相、等离子体并列的物质“第五相”。

要验证爱因斯坦的预言,需要将系统的温度降到极低。直到1995年,美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼利用磁场约束原子,同时利用激光冷却和磁势阱蒸发冷却,在170nK(仅比绝对零度高百万分之0.17度)温度下实现了BEC,并因此得了2001年的诺贝尔物理学奖。

自然条件下的最低温度约为3K,也就是宇宙背景辐射的温度。埃里克和卡尔实现BEC的温度比自然最低温还要低百万倍。在当时,这种物质状态真可谓是“最冷的相”。

突破至寒

尽管科学家可使用不同原子实现BEC,但转变温度都局限于超低温,很难进入实际应用。怎样才能在更高温度下实现BEC呢?

2006年,法国科学家卡斯普扎克和同事首次通过半导体微腔中的激子等离激元,在温度降到4K时,观测到了基态的宏观占据和相干态的形成,向实现“高温”BEC迈出了重要一步。理论上讲,发生凝聚的温度与玻色子粒子的质量有关。粒子质量越轻,就可能在越高温度下实现凝聚。

激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,质量仅为原子质量的千万分之一至一亿分之一,似乎是很好的选择。然而其寿命只有1皮秒(1×10-12秒)左右。在如此短暂的寿命里,其没有足够的时间达到热平衡,更无法形成BEC。也因此,科学家们将卡斯普扎克等人的贡献折中地称为“准”或者“半”BEC。

2017年1月,美国《物理评论快报》杂志发表了一项研究,采用“超长寿”的激子等离激元和环形光阱,首次在40K下实现了BEC。负责该项研究的孙永宝博士等使用了一种特殊的半导体微腔结构,使激子等离激元的寿命从1皮秒左右提高到270皮秒,并通过空间光学调制手段将其束缚在一个环形光阱中。这种束缚可增加激子等离激元之间相互作用的概率,有效促进其达到热平衡。在该研究中,实验测量的量子相变的相图和理论预测几乎完全一致,有力地证明了他们在“高温”下实现的BEC。至此,BEC终于突破至寒。

让粒子赛跑

“高温”BEC的实现为其走出实验室,走向工业界提供了可能。那么,“高温”BEC中粒子相互作用有多强?这不仅是一个重要的理论问题,也决定着“高温”BEC在量子计算中的应用价值。

长期以来,对激子等离激元相互作用强度的测量都是一个难题,因为产生激子等离激元的同时,也会产生自由载流子二者之间的相互作用,会对激子等离激元相互作用强度的测量造成很大的干扰。

2017年9月,在英国《自然·物理》发表的另一项研究成果中,孙永宝博士构思了一个聪明的办法来解决这个问题:让自由载流子和激子等离激元赛跑!由于激子等离激元比自由载流子轻一万倍左右,在相同外力驱动下,激子等离激元可以跑得更快,只要时间足够长,就可以将二者分开。他们把起跑线设为环形,利用“超长寿”激子等离激元,有效地分开了激子等离激元和自由载流子,将激子等离激元收集在圆环中心的“凝聚池”中,从而方便对其相互作用强度的测量。

“凝聚”中的斥力

由于激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,很多科学家猜测它们之间的相互作用非常弱。这几乎是给基于激子等离激元的量子器件宣判了死刑,因为如果激子等离激元之间没有相互作用,各种逻辑运算就无法实现,也难以对激子等离激元的量子态进行人工操控。

然而,孙永宝博士却持不同观点。他认为,由于激子等离激元存在于一个光学谐振腔中,它们之间的相互作用会由于谐振场效应增强。这种增益相互作用机制非常复杂,无法通过现有的理论精确计算。然而通过实验,可以对“凝聚池”中“赛跑”后的激子等离激元的相互作用强度进行准确的测量。

实验测量的结果验证了他们的猜想。光学谐振腔中,谐振场的增益效应显著,增强了激子等离激元之间的相互作用,为激子等离激元的在量子计算中的应用提供了可靠论证。

由于BEC和超导存在的联系,“高温”BEC的实现,将为高温超导提供了一个潜在的非传统的全光体系,对此体系中粒子相互作用强度的测量,则为这些应用提供了广阔的平台和支持。(记者 冯卫东)

(责编:秦佳陆(实习生)、熊旭)

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