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高温”玻色—爱因斯坦凝聚态你是怎样的存在?

2018-08-09 21:01

  本报驻联合国记者 冯卫东 迄今为止,科学家还没有研制出一台真正意义上的量子计算机。如何实现量子计算的关键在于对微观量子态的构造以及精确。玻色-爱因斯坦凝聚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。记者日前与美国麻省理工学院孙永宝博士交流了玻色-凝聚态的进展和最新突破。据介绍,他担纲的研究团队,已经通过建立光学谐振的激子等离激元体系,首次在40K(-233.15℃)的温度下实现了玻色-爱因斯坦凝聚,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。

  根据微观粒子统计性质的不同,物理学家们把所有的微观粒子,如原子、质子、中子、电子和光子,划分为两类:费米子和玻色子。玻色—爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate)是玻色子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种类似气态的、超流性的物质状态,被称为是与气相、液相、固相、等离子体并列的物质“第五相”。

  根据量子力学,微观粒子具有波粒二象性。以原子为例,它既是是粒子也是波。原子的温度越低,德布罗意波长越大。气体状态的原子在常温下表现出经典粒子的特点,如同一群弹球互相碰撞,并表现出各自不同的能量特征。随着温度不断降低,原子的波动性不断增强,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”。

  要验证爱因斯坦的预言,物理学家需要在实验中实现“玻色—爱因斯坦凝聚”。对于原子而言,这需要将系统的温度降到极低。这一切,直到20世纪90年代,超低温研究获得突破性进展后才得以实现。1995年,美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼利用约束原子,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零点一七度)温度下实现了玻色-爱因斯坦凝聚。他们也因为此项研究获得了2001年的诺贝尔物理学。

  要知道,自然条件下的最低温度是太空的温度,也就是背景辐射的温度,大约为3K。埃里克和卡尔实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度比自然条件下存在的最低温度低百万倍。在当时,玻色-爱因斯坦凝聚这种物质状态真可谓是“最冷的相”。

  近百年前的理论预测,终于在实验室中实现,开辟了一个全新的研究领域。在接下来的20年间,玻色-爱因斯坦凝聚作为原子光学物理的尖端前沿,诞生了许许多多激动的研究,如物质波、量子超流和高简并度的量子涡旋等。

  然而,尽管科学家们可使用不同原子实现玻色-爱因斯坦凝聚,这些原子的凝聚转变温度都局限于超低温。对于实际应用来说,因为受到超低温的,玻色—爱因斯坦凝聚还只是一个刚刚开始的方向。怎样才能在更高的温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚呢?

  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,在温度下降到4K时,观测到了基态的宏观占据和相干态的形成,为玻色-爱因斯坦凝聚在“高温”下的实现迈出了重要一步。理论上讲,发生凝聚的温度与玻色子粒子的质量有关。粒子的质量越轻,就可能在越高的温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚。

  作为一种半光子半物质的复合粒子,激子等离激元的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,激子等离激元的寿命很短,只有1皮秒(1×10-12秒)左右。在如此短暂的寿命里,激子等离激元没有足够的时间通过相互作用达到热平衡。如同水蒸气凝结为水,水凝固成冰一样,玻色—爱因斯坦凝聚也是一个热平衡相变。如果无法达到平衡态,相变就无从谈起,更不要说玻色—爱因斯坦凝聚了。也因为如此,科学家们将卡斯普扎克等人的贡献折中地称为“准”或者“半”玻色爱因斯坦凝聚。

  2017年1月,美国《物理评论快报》发表的一项研究,采用“超长寿”的激子等离激元和环形光阱,首次在40K下实现了玻色—爱因斯坦凝聚。负责该项研究的美国麻省理工学院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,为激子等离激元实现热平衡提供了可能。此外,他们通过空间光学调制手段将激子等离激元在一个环形光阱中。这种可增加激子等离激元之间相互作用的概率,有效促进了激子等离激元达到热平衡。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”下对玻色—爱因斯坦凝聚的实现。至此,玻色—爱因斯坦凝聚终于突破至寒。

  “高温”玻色-爱因斯坦凝聚的实现为其走出实验室,工业界提供了可能。那么,高温”玻色-爱因斯坦凝聚中的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”玻色-爱因斯坦凝聚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,因为激子等离激元一般通过过带隙的激光激发半导体材料产生,而这种过带隙的激光同时也会产生载流子。载流子与激子等离激元之间的相互作用,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》发表的另一项研究中,孙永宝博士构思了一个聪明的办法来解决这个问题:让载流子和激子等离激元赛跑!由于激子等离激元比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,就可以与载流子分开。在过去,激子等离激元的寿命只有1皮秒,赛跑还没开始就衰减了。而孙永宝“超长寿”的激子等离激元,有时间与载流子赛跑。

  另一个问题是需要收集跑得快的激子等离激元,并使他们发生玻色-爱因斯坦凝聚。孙永宝博士的解决办法是:把起跑线设为环形。通过空间调制技术,他和同事将激发激光的光斑调整成一个直径为40微米的环形。由于粒子之间的相互作用,从圆环出发的激子等离激元和载流子都会向圆环中心和圆环外部逃逸。因为激子等离激元逃逸的速度更快,加之载流子的寿命也有限,在合适的时间下,圆环中心10微米的区域只有激子等离激元。这样一来,他们就有效地分开了激子等离激元和其他干扰粒子,并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。

  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,孙永宝博士却持有不同的观点。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。 ,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。

  孙永宝博士解释说,“激子等离激元之间也遵循‘同性相斥’的原理。这种相互作用会导致激子等离激元的基态能量升高,而基态能量的改变量与激子等离激元的密度成正比,这个比例就是激子等离激元的相互作用强度。我们使用玻色—爱因斯坦凝聚的转变密度对圆环光阱中心区域的激子等离激元的密度进行了校准,并通过光谱仪对激子等离激元基态能量的改变量进行了高精度的测量,从而确定了激子等离激元的相互作用强度。”

  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。 由于玻色—爱因斯坦凝聚和超导存在的联系,“高温”玻色—爱因斯坦凝聚的实现,将为高温超导提供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。(科技日报纽约5月10日电)

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