超导突破：科学家发现量子物质的新状态

超导突破：科学家发现量子物质的新状态这种"自旋三重电子对晶体"是一种以前未知的拓扑量子物质状态。这一发现最近发表在《自然》杂志上。顾强强是在文理学院詹姆斯-吉尔伯特-怀特杰出荣誉教授、物理学家J.C.SéamusDavis实验室工作的博士后研究员，他与科克大学学院的乔-卡罗尔和牛津大学的王树秋共同领导了这项研究。当配对电势呈现奇奇偶性时，超导体就是拓扑超导体，这会导致每个电子对采用自旋三重态，两个电子自旋的方向相同。顾强强介绍说，拓扑超导体是物理学家们热衷研究的对象，因为从理论上讲，它们可以构成超稳定量子计算机的材料平台。然而，即使对拓扑超导进行了长达十年的深入研究，除了同样在康奈尔大学发现的超流体3He之外，还没有任何块体材料被明确认定为自旋三奇偶超导体。最近，一种奇特的新材料--二碲化铀（UTe2）成为这种分类的极有希望的候选者。然而，它的超导阶参数仍然难以捉摸。2021年，理论物理学家开始提出，UTe2实际上处于拓扑对密度波（PDW）状态。此前从未探测到过这种形式的量子物质。简单地说，拓扑对密度波就像超导体中的成对电子的静态舞蹈，但这些成对电子在空间中形成周期性的晶体图案。"我们康奈尔大学的团队在2016年利用我们为此发明的超导尖端扫描约瑟夫森隧穿显微镜发现了有史以来观测到的第一个PDW，"顾说。"从那时起，我们开创了在毫开尔文温度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2项目中，我们直接观察到了超导配对势在原子尺度上的空间调制，并发现它们的调制完全符合PDW状态下电子对密度在空间周期性调制的预测。我们探测到的是一种新的量子物质态--由自旋-三重库珀对组成的拓扑对密度波"。库珀对密度波是电子量子物质的一种形式，其中电子对凝固成超导PDW态，而不是形成传统的"超导"流体，在这种流体中，所有电子对都处于相同的自由运动状态。顾强强说："在自旋三重超导体中首次发现PDW令人兴奋。铀基重费米子超导化合物是一类新颖奇特的材料，为实现拓扑超导提供了一个前景广阔的平台。......我们的科学发现还指出了这种有趣的量子态在s波、d波和p波超导体中无处不在的性质，并为在广泛的材料中识别这种状态提供了新的途径。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380305.htm

在量子系统的动力学中发现的宇宙物理学

在量子系统的动力学中发现的宇宙物理学用超冷原子气体进行的新实验揭示了所有相互作用的量子系统在突然的能量涌入后是如何演变的。“上个世纪物理学的许多重大进展都与具有许多粒子的量子系统的行为有关，”宾夕法尼亚州立大学杰出物理学教授、研究团队的领导者之一戴维·韦斯（DavidWeiss）说。“尽管存在各种各样的‘多体’现象，如超导性、超流性和磁性，但人们发现它们在接近平衡状态时的行为通常足够相似，以至于可以将它们分类为一小组通用类别。相比之下，远离平衡的系统的行为几乎没有产生这样的统一描述。”超冷原子气体的新实验揭示了量子系统动力学中的普遍物理学。宾夕法尼亚州立大学研究生袁乐是描述实验的论文的第一作者，她站在她用来创造和研究接近绝对零的一维气体的设备旁边。图片来源：大卫·韦斯，宾夕法尼亚州立大学韦斯解释说，这些量子多体系统是粒子的集合，例如原子，它们可以相对于彼此自由移动。当它们是足够稠密和足够冷的组合时（这可能会根据环境而变化），需要量子力学（在原子或亚原子尺度上描述自然属性的基本理论）来描述它们的动力学。当成对的重离子以接近光速的速度碰撞时，粒子加速器中通常会产生严重失衡的系统。碰撞产生等离子体——由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成——在碰撞的早期就出现，可以用流体动力学理论来描述——类似于在等离子体达到局部热平衡之前用于描述气流或其他移动流体的经典理论。但在流体动力学理论得以应用之前的极短时间内会发生什么呢？“在使用流体动力学之前发生的物理过程被称为‘水动力化’，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该研究小组的另一位领导者马科斯·里戈尔（MarcosRigol）说。“已经发展了许多理论来试图理解这些碰撞中的水动力作用，但情况相当复杂，不可能像粒子加速器实验中那样实际观察到它。使用冷原子，我们可以观察氢动力化过程中发生的情况。”宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用一维气体的两个特殊特征，即通过激光捕获并冷却到接近绝对零的气体，以了解系统在失去平衡后但在流体动力学能够实现之前的演化。 第一个功能是实验性的。实验中的相互作用可以在能量流入后的任何时刻突然关闭，因此可以直接观察和测量系统的演化。具体来说，他们观察了能量突然淬灭后一维动量分布的时间演化。韦斯说：“激光制成的陷阱中的超冷原子可以进行如此精确的控制和测量，从而真正为多体物理学带来启示。令人惊奇的是，表征相对论性重离子碰撞（实验室中发生的一些最高能碰撞）的相同基本物理特性，也出现在我们实验室中发生的能量低得多的碰撞中。”第二个特征是理论上的。以复杂方式相互作用的粒子集合可以被描述为相互相互作用要简单得多的“准粒子”集合。与大多数系统不同，一维气体的准粒子描述在数学上是精确的。它可以非常清楚地描述为什么能量在失去平衡后会在系统中快速重新分配。“这些一维气体中已知的物理定律，包括守恒定律，意味着一旦这种初始演化发生，流体动力学描述将是准确的，”里戈尔说。“实验表明，这种情况发生在达到局部平衡之前。因此，实验和理论一起提供了水动力化的模型实例。由于水动力化发生得如此之快，因此对准粒子的基本理解可以应用于任何添加了大量能量的多体量子系统。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366927.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366927.htm

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究揭示了分子振动与光粒子（即光子）之间的量子力学相互作用。希望这一发现能帮助科学家更好地理解光与物质在分子尺度上的相互作用。量子效应在从新量子技术到生物系统等各种应用中的重要性的基本问题铺平了道路。UEA物理学院的马格努斯-博格（MagnusBorgh）博士说："化学物理学界对光粒子的能量在分子内传递过程的性质长期存在争议。从根本上说，它们是量子力学还是经典力学？分子是复杂而混乱的系统，不断振动。这些振动如何影响分子中的任何量子力学过程？""对这些过程的研究通常使用依赖偏振的技术--这与太阳镜中用于减少反射的光的特性相同。但这是一种经典现象。量子光学是研究光的量子性质及其与原子尺度物质相互作用的物理学领域，它的技术可以提供一种直接研究分子系统中真正量子效应的方法。"光子相关性在量子行为中的意义通过研究置于激光场中的分子发出的光的相关性，可以揭示量子行为。相关性回答了两个光子发射距离很近的可能性有多大的问题，并可使用标准技术进行测量。UEA理论化学博士生本-汉弗莱斯（BenHumphries）说："我们的研究表明，当分子与周围环境交换声子（量子力学的声音粒子）时，会在光子相关性中产生可识别的信号。"虽然光子在世界各地的实验室中都能被常规地产生和测量，但单个的量子振动，也就是相应的声音粒子--声子，一般无法进行类似的测量。新发现为研究分子中的量子声音世界提供了一个工具箱。首席研究员、UEA化学学院的加思-琼斯（GarthJones）博士说："我们还计算了光子和声子之间的相关性。他补充说："如果我们的论文能够启发人们开发新的实验技术，直接探测单个声子，那将是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392893.htm

量子几何 - 超导领域最新的"神奇"转折点

量子几何-超导领域最新的"神奇"转折点这项新的研究对具有近乎"冻结"电子的材料中如何产生超导性提供了重要的见解。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上，描述了一种计算电子速度的新方法。这项研究也代表了第一个例子，即量子几何被认为是任何材料中超导性的主要贡献机制。研究人员研究的材料是扭曲的双层石墨烯。石墨烯是一个单层的碳原子，以蜂窝状的方式定期排列。在扭曲的双层石墨烯中，两片石墨烯以轻微的角度扭曲堆叠在彼此的顶部。达拉斯大学自然科学和数学学院的物理学副教授、该研究的作者张帆博士说，原则上，在某个"神奇"的扭曲角度，材料中电子的速度接近零。理论物理学家张和他的合作者之前发表了一篇关于此类系统的独特物理特性的评论文章。张说："在传统金属中，电子的平均速度负责导电性，而在超导体中，电子配对成库珀对均匀流动，没有阻力或耗散。相比之下，在扭曲的双层石墨烯中，电子的移动速度非常非常慢，速度接近于零。但这产生了一个悖论：这些缓慢的电子如何能够导电，更不用说超导了，超导性必须来自其他东西。我们确定它产生于量子几何学。"这项新的研究为超导性如何在具有几乎"冻结"电子的材料中产生提供了重要的见解。由物理学教授和研究报告作者MarcBockrath博士、JeanieLau博士和MohitRanderia博士领导的俄亥俄州的研究人员制造了一个魔角扭曲的双层石墨烯装置，并能够测量其电子的速度。凝聚态物理学家利用施温格效应，即在电场存在的情况下自发产生电子-正电子对，来测量材料中电子的速度及其对超导性的贡献。这些发现标志着首次在任何超导体中看到了施温格效应，这是一种在相对论粒子物理学中预测但尚未观察到的现象。"事实证明，该速度是迄今为止所有石墨烯系统中最慢的。令人惊讶的是，超导性仍然可以产生，"理论组的物理学博士生、文章作者之一徐天一说。"弄清楚如何测量电子速度很重要，因为确定速度是一个关键步骤，使我们能够计算出它对超导的贡献。事实证明，这个贡献是很小的。"实验测量和理论分析表明，对超导性的主导贡献反而来自于量子几何学，它类似于普通几何学，但源自于量子多体物理学。"考虑一下我们正常的三维空间中的一个气球。它的所有几何特性都可以由度量和定义在其表面上的曲率决定，"前研究生和文章的作者PatrickCheung表示。"量子电子所处的空间也是如此。在这个所谓的希尔伯特空间中，量子几何可以产生令人难以置信的材料特性和应用，例如本研究中讨论的超导性和智能量子传感，我们在以前的工作中证明了这一点。"由量子几何学促成的超导性是一种非常规的机制。新的发现可以成为发现和设计新的超导体的基础，这些超导体在更高的温度下发挥作用，而不是在环境压力下工作在150开尔文（-123摄氏度或-190华氏度）以下。在室温下工作的高温超导体，长期以来一直是凝聚态物质和材料物理学的圣杯。如果它能够被开发出来，我们的生活和社会将被完全重塑，因为，例如，我们可以更有效地运输电力，以更低的成本运行磁悬浮列车。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349005.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349005.htm

物理学家首次在水箱中制造出封闭的湍流球

物理学家首次在水箱中制造出封闭的湍流球芝加哥大学的科学家们开创性地在水箱中制造出一个包含湍流的"球"，这在以前是从未有过的。上图显示了湍流球随时间变化的平均能量密度。图片来源：TakumiMatsuzawa绊脚石之一是物理学家的传统方法，他们通常喜欢脱离外部因素来研究现象。但说到湍流，就像搅拌一杯液体一样，勺子仍然是整个过程不可或缺的一部分，影响着流体的行为。迄今为止，将湍流作为一个独立变量隔离开来的方法还难以实现。不过，芝加哥大学的一组科学家开创了一种在水箱中产生包含湍流的方法。他们使用环形喷射器喷射环流，直到形成一个孤立的湍流"球"并持续存在。物理学家TakumiMatsuzawa（松泽匠）说："这对我们来说是个惊喜，"他是描述这一发现的研究报告的第一作者，该报告发表在《自然-物理》（NaturePhysics）上。这项研究的通讯作者威廉-欧文（WilliamIrvine）教授说："这就像平静地坐在田野里野餐，看着50英尺外的风暴肆虐。"他们希望这一突破能为更好地理解湍流开辟一条新的研究途径。"湍流--不均匀混合物质中的混乱流动--是一个老问题。"欧文说："它经常被引述为物理学中的一大未决问题。"在过去的几十年里，科学家们在描述"理想化"湍流状态的行为方面取得了进展。也就是说，湍流没有边界等混杂变量，也没有强度和时间的变化。但是，要理解现实世界中的湍流，还有很多东西需要了解。欧文说："湍流在我们周围随处可见，但它一直无法得到物理学家认为令人满意的描述。例如，如果你问，我能否预测戳穿这个湍流区域后接下来会发生什么？答案是不能。即使使用超级计算机也无法预测。"研究人员利用激光和高速摄像机追踪湍流。图片来源：TakumiMatsuzawa其中一个大问题是实验中存在混杂变量。你可以通过管道快速喷射水流或在水箱中搅拌桨叶来制造湍流，但湍流总是与容器壁和搅拌器摩擦，从而影响实验结果。松泽、欧文和他们的合作者一直在用水箱做"涡环"实验--就像烟圈一样，只不过是在水中。当他们试图将它们组合起来制造湍流时，能量通常会反弹回来，然后消散。但是，一旦他们发现了一种特殊的构造--一个有八个角的盒子，每个角上都有一个涡环发生器--奇怪的事情就发生了。当他们反复发射在中心交汇的环时，他们看到一个自成一体、远离箱壁的湍流球形成了。这本身就是一个突破："之前没有人认为这是可能的，湍流非常善于混合液体；如果你把牛奶混入咖啡中，你只能搅拌一两下就会完全混合，但我们能把它控制在原地，这让人非常惊讶"。独立的湍流球可以让科学家利用激光和多台快速相机更精确地跟踪其参数。这包括它的能量和螺旋度（衡量环的纠结或"打结"程度），以及冲量和角冲量（相当于流体的动量和角动量）。更重要的是，他们可以通过改变参数来玩弄它。他们可以改变送入的回路是顺时针还是逆时针旋转的螺旋。他们可以改变输入的能量，或者停止添加环，观察湍流的消散，或者改变环的螺旋度，观察湍流如何随时间演变。"湍流是如何消散的？它是如何膨胀的？它"记住"了什么？能量如何跨尺度传播？是否存在不同类型的湍流？我们可以提出各种各样的问题，而这是提出这些问题的独特环境，"欧文说。"我真的希望这能帮助我们在这一领域开辟出一片新天地。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385265.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385265.htm

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为一个科学家小组将冷原子气体的操纵潜力提高了一倍，创造出了一种新型物质。这一突破可以通过激发特制气体中的"密度波"来推动量子技术的发展。密度波插图。由HaraldRitsch绘制。资料来源：因斯布鲁克大学/EPFL过去，冷原子气体因能够"编程"原子之间的相互作用而闻名于世，洛桑联邦理工学院的让-菲利普-布兰特教授（Jean-PhilippeBrantut）说。"我们的实验让这种能力翻了一番！"他们与因斯布鲁克大学的赫尔穆特-里奇（HelmutRitsch）教授小组合作，取得了一项突破性进展，这不仅会影响量子研究，还会影响未来的量子技术。长期以来，科学家们一直对了解材料如何自组织成晶体等复杂结构感兴趣。在量子物理学这个常常令人费解的世界里，粒子的这种自组织表现为"密度波"，即粒子排列成一种有规律的、重复的模式或"秩序"；就像一群穿着不同颜色衬衫的人站成一排，但没有两个穿着相同颜色衬衫的人站在一起。在金属、绝缘体和超导体等多种材料中都能观察到密度波。然而，对它们的研究一直很困难，尤其是当这种秩序（波中粒子的模式）与其他类型的组织（如超流体--一种允许粒子无阻力流动的特性）同时出现时。值得注意的是，超流动性并不仅仅是一种理论上的好奇心；它对于开发具有独特性质的材料（例如高温超导性，它可以带来更高效的能量传输和存储）或建造量子计算机具有巨大的意义。为了探索这种相互作用，布兰特和他的同事们创造了一种"单元费米气体"，这是一种由冷却到极低温度的锂原子组成的稀薄气体，其中的原子经常相互碰撞。然后，研究人员将这种气体置于光腔中，光腔是一种用于将光线长时间限制在狭小空间内的装置。光腔由两面反射镜组成，能将射入的光线在两面反射镜之间来回反射数千次，从而使光粒子（光子）在光腔内积聚。在这项研究中，研究人员利用空腔使费米气体中的粒子发生远距离相互作用：第一个原子会发射一个光子，光子反弹到镜子上，然后被气体中的第二个原子重新吸收，无论它与第一个原子的距离有多远。当发射和重新吸收的光子足够多时（在实验中很容易调整），原子就会集体组织成密度波模式。布兰特说："原子在费米气体中直接相互碰撞，同时又在很远的距离上交换光子，这是一种新型物质，其中的相互作用是极端的。我们希望，我们在那里看到的东西将增进我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372485.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372485.htm