物理学家首次创造出准粒子玻色-爱因斯坦凝结物：神秘的物质"第五态"

物理学家首次创造出准粒子玻色-爱因斯坦凝结物：神秘的物质"第五态"一篇描述该物质产生过程的论文最近发表在《自然-通讯》杂志上，该论文是在温度略高于绝对零度的情况下实现的。玻色-爱因斯坦凝聚物有时被描述为物质的第五种状态，与固体、液体、气体和等离子体并列。理论上在20世纪初就有预测，但玻色-爱因斯坦凝聚物，或称BECs，直到1995年才在实验室中被创造出来。它们也可能是最奇怪的物质状态，科学界对它们仍有大量的未知。无低温稀释冰箱中的仪器特写图片。图片中央的暗红色立方体晶体是氧化亚铜。放在晶体后面的一个硒化锌半月板透镜是一个物镜。晶体下面的一根杆子和一个台子用于在晶体中产生不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。资料来源：YusukeMorita,KosukeYoshioka和MakotoKuwata-Gonokami，东京大学。当一组原子被冷却到绝对零度以上的十亿分之一时，就会出现BECs。研究人员通常使用激光和"磁铁陷阱"来稳定地降低气体的温度，这种气体通常由铷原子组成。在这个超冷的温度下，原子几乎不动，并开始表现出非常奇怪的行为。它们经历着相同的量子状态--几乎就像激光中的相干光子--并开始聚集在一起，作为一个无法区分的"超级原子"占据相同的体积。原子的集合在本质上表现为一个单一的粒子。目前，BECs仍然是许多基础研究的主题，并用于模拟凝聚态系统，但原则上，它们在量子信息处理方面有应用。量子计算，仍然处于早期发展阶段，利用了许多不同的系统。但它们都依赖于处于同一量子状态的量子比特，或称量子比特。大多数BEC是由普通原子的稀薄气体制造的。但直到现在，由奇异原子组成的BEC还从未实现过。异类原子是指其中的一个亚原子粒子，如电子或质子，被另一个具有相同电荷的亚原子粒子所取代的原子。例如，正电子是一种由电子和其带正电的反粒子--正电子组成的异类原子。氧化亚铜晶体（红色立方体）被放置在稀释冰箱中心的一个样品台上。研究人员在冰箱的防护罩上安装了窗户，允许在四个方向上对样品台进行光学访问。两个方向的窗口允许透射可见区的激发光（橙色实线）和副激子的发光（黄色实线）。另外两个方向的窗口允许透射探针光（蓝色实线）进行诱导吸收成像。为了减少传入的热量，研究人员通过最小化数值孔径和使用特定的窗口材料来精心设计窗口。窗口的这种专门设计和无低温稀释冰箱的高冷却能力有助于实现64毫开尔文的最低基础温度。资料来源：东京大学森田雄介、吉冈康介和桑田刚上。一个"激子"是另一个这样的例子。当光照射到半导体时，能量足以"激发"电子，使其从原子的价层跃升到传导层。这些被激发的电子然后在电流中自由流动--本质上是将光能转化为电能。当带负电的电子进行这种跳跃时，留下的空间，或"洞"，可以被当作是一个带正电的粒子。负的电子和正的空洞被吸引，从而结合在一起。结合起来以后，这个电子-空穴对是一个电中性的"准粒子"，称为激子。准粒子是一种类似于粒子的实体，它不属于粒子物理学标准模型中的17种基本粒子之一，但它仍然可以具有基本粒子的属性，如电荷和自旋。激子类粒子也可以被描述为一种外来的原子，因为它实际上是一个氢原子，它的单个正质子被单个正洞所取代。激发子有两种类型：正激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋平行，以及副激发子，其中电子的自旋与空穴的自旋反平行（平行但方向相反）。电子-空穴系统已被用于创造其他物质阶段，如电子-空穴等离子体，甚至激子液滴。研究人员想看看他们是否能用激子制造出一个BEC。研究人员使用设置在样品（红色立方体）下的透镜施加不均匀的应力。不均匀的应力导致不均匀的应变场，作为激子的陷阱电位。激发光束（橙色实线）集中在样品中陷阱电位的底部。一个激子（黄色球体）由一个电子（蓝色球体）和一个空穴（红色球体）组成。研究小组通过发光（黄色阴影）或探针光的差分传输（蓝色阴影）来检测激子。一个设置在样品后面的物镜收集了来自激子的发光。探针光束也通过物镜传播。资料来源：东京大学的YusukeMorita,KosukeYoshioka和MakotoKuwata-Gonokami。"自从1962年首次在理论上提出以来，直接观察三维半导体中的激子凝聚物一直备受追捧。没有人知道准粒子是否能像真正的粒子那样进行玻色-爱因斯坦凝聚，"东京大学的物理学家、该论文的共同作者MakotoKuwata-Gonokami说。"这有点像低温物理学的圣杯"。研究人员认为，在氧化亚铜（Cu2O）（一种铜和氧的化合物）中产生的类似氢的副外子是在大块半导体中制造激子BEC的最有希望的候选者之一，因为它们的寿命很长。20世纪90年代曾试图在2K左右的液氦温度下制造副激子BEC，但是失败了，因为为了从激子中制造BEC，需要远低于这个温度。正激子不能达到如此低的温度，因为它们的寿命太短。然而，从实验上看，副激子的寿命非常长，超过几百纳秒，足以将它们冷却到BEC的所需温度。该研究小组利用稀释冰箱成功地在Cu2O主体中捕获了副激子，稀释冰箱是一种低温设备，通过将两种氦的同位素混合在一起进行冷却，这种设备通常被试图实现量子计算机的科学家所使用。然后，他们通过使用中红外诱导吸收成像技术直接观察了真实空间中的激子BEC，这是一种利用中红外范围内的光的显微镜技术。这使研究小组能够进行精确的测量，包括激子的密度和温度，这反过来又使他们能够标出激子BEC和常规原子BEC之间的差异和相似之处。该小组的下一步行动将是研究激子BEC在大块半导体中如何形成的动力学，并研究激子BEC的集体激发。他们的最终目标是建立一个基于激子BEC系统的平台，以进一步阐明其量子特性，并对与环境强耦合的量子比特的量子力学有一个更好的理解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331925.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331925.htm

物理学家发现原子核基态的分子结构

物理学家发现原子核基态的分子结构中国科学院近代物理研究所（IMP）的科学家及其合作者最近在原子核基态中发现了一种分子型结构。该研究成果发表在《物理评论快报》上，并作为"物理学特写"文章进行了重点报道。原子核是一个由质子和中子组成的量子多体系统，小得令人难以置信（只有原子的万分之一），但它却容纳了原子总质量的99.9%以上。核子之间的相互作用产生了各种有趣的核结构，从球形核到变形核，甚至是表面密度稀疏的中子晕。在这些结构中出现的团簇结构是一个引人入胜的现象。反运动学中的簇敲除反应示意图。资料来源：李鹏杰团簇结构的意义原子核的基态很少出现簇状结构。关于基态团簇结构的讨论可以追溯到1938年，当时理论物理学家通过分析α共轭核的结合能，提出在铍-8、碳-12和氧-16等原子核的基态中可能存在类似α分子的团簇结构。然而，由于经典壳模型的单粒子描述很受欢迎，这一理论假设仍未得到验证。IMP的科学家及其合作者利用一种涉及逆运动学敲除反应的新颖实验方法，验证了富中子原子核铍-10的基态存在分子型结构。该实验在日本理化学研究所西奈中心的放射性同位素束工厂（RIBF）进行。在实验中，铍-10的次级束以一半光速轰击一个2毫米厚的固体氢靶。束缚在铍-10原子核内的α原子团被质子击出，几乎没有动量转移到残余原子核上，从而保留了铍-10基态原子团结构的信息。铍-10原子核的类分子结构。资料来源：IMP李鹏杰证实长期存在的假设实验结果表明，敲除反应的实验截面与微观模型下的理论预测之间存在显著的一致性。这一验证支持了关于铍-10基态分子态结构的长期假说，即铍-10形成了一个α-α哑铃形内核，两个价中子垂直于内核轴旋转。论文第一作者、来自IMP的李鹏杰博士说："类似的结构在原子尺度上也能发现，但在原子核的基态中却异常罕见。"这项研究首次为原子核基态分子态结构的理论描述提供了实验证据，并为进一步探索富中子核基态α簇结构的演化铺平了道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401029.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401029.htm

物理学家解开了准晶体形成之谜

物理学家解开了准晶体形成之谜一个由不同大小的环组成的子结构将自己无缝嵌入到一个六边形结构中。资料来源：马丁路德大学哈雷-维滕贝格分校他们的研究解决了从金属氧化物中形成二维准晶体的奥秘，最近发表在《自然通讯》杂志上。"六角形在自然界中经常被发现。最著名的例子是蜂窝，但石墨烯或各种金属氧化物，如氧化钛也形成这种结构。六边形是周期性排列的理想模式，"MLU物理研究所表面和界面物理组的研究员StefanFörster博士解释说。"它们如此完美地结合在一起，没有任何缝隙。"2013年，该小组在铂金基底上沉积了一个含有氧化钛和钡的超薄层，并在超高真空中加热到约1000摄氏度时，有了一个惊人的发现。原子排列成三角形、正方形和菱形，这些三角形、正方形和菱形组合成甚至更大的具有12条边的对称形状。一个具有12倍旋转对称性的结构被创造出来，而不是预期的6倍周期性。根据福斯特的说法，"准晶体被创造出来，具有非周期性的结构。这种结构是由高度有序的基本原子团组成的，即使这种有序性背后的系统性对观察者来说是难以辨别的。"来自哈雷的物理学家们是世界上第一个证明在金属氧化物中形成二维准晶体的人。自他们发现以来，这种准晶体的形成机制仍然令人费解。MLU的物理学家现在与来自哈雷马克斯-普朗克微结构物理研究所、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和美国国家标准与技术研究所（美国盖瑟斯堡）的研究人员合作，解决了这个谜题。利用精心设计的实验、高能计算和高分辨率显微镜，他们表明，高温和钡的存在创造了一个分别有四个、七个和十个原子的钛和氧环的网络。"钡既打破了原子环，又稳定了它们，"领导该联合项目的Förster解释说。"一个钡原子嵌入一个七原子环中，两个嵌入一个十原子环中"。这是可能的，因为钡原子与铂金支撑物发生静电作用，但不与钛原子或氧原子形成化学键。通过他们的最新发现，研究人员所做的不仅仅是澄清了一个基本的物理学问题。Förster说："现在我们对原子层面的形成机制有了更好的理解，我们可以尝试在其他与应用相关的材料（如金属氧化物或石墨烯）中按需制造这种二维准晶体。我们很高兴能够了解这种特殊的排列方式是否会产生全新的、有用的特性"。这些实验是作为"超周期晶体：结构、动力学和电子特性"项目的一部分进行的，该项目由德国研究基金会和法国国家研究机构资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345975.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345975.htm

物理学家在一个新的维度上揭示了光的量子性质

物理学家在一个新的维度上揭示了光的量子性质该实验不仅提供了对光的基本性质的见解，而且也是开发先进材料以控制空间和时间的垫脚石。这些材料有可能为新技术做出贡献，并帮助研究基本物理现象，如黑洞。该实验依靠的是能够在几分之一秒内改变其光学特性的材料，这些材料可用于新技术或探索物理学的基本问题。最初的双缝实验是由托马斯-杨于1801年在英国皇家学会进行的，表明光作为一种波的作用。然而，进一步的实验表明，光实际上既表现为波又表现为粒子--揭示了其量子性质。这些实验对量子物理学产生了深远的影响，不仅揭示了光的双重粒子和波的性质，还揭示了其他"粒子"，包括电子、中子和整个原子。现在，一个由伦敦帝国学院物理学家领导的团队已经利用时间而非空间的"狭缝"进行了实验。他们通过向一种在飞秒（四亿分之一秒）内改变其属性的材料发射光来实现这一目标，只允许光在特定时间内快速通过。首席研究员、帝国理工学院物理系的里卡多-萨皮恩扎教授说："我们的实验揭示了更多关于光的基本性质，同时作为创造能够在空间和时间上细微控制光的终极材料的垫脚石。"该实验的细节今天（2023年4月3日）发表在《自然-物理》杂志上。项目成员RomainTirole在伦敦帝国学院调整研究中使用的设备。资料来源：托马斯-安格斯，伦敦帝国学院最初的双缝设置涉及将光照向一个不透明的屏幕，屏幕上有两条平行的细缝。屏幕后面是一个检测器，检测通过的光线。为了以波的形式通过狭缝，光分裂成两个波，分别通过每个狭缝。当这些波在另一侧再次交叉时，它们会相互"干扰"。在波峰相遇的地方，它们会相互增强，但在波峰和波谷相遇的地方，它们会相互抵消。这在探测器上形成了光多和光少区域的条纹图案。光也可以被分割成被称为光子的"粒子"，它们可以被记录下来，一次一次地击中探测器，逐渐建立起条纹状的干涉图案。即使研究人员一次只发射一个光子，干扰图案仍然出现，就像光子一分为二并穿过两个狭缝一样。在该实验的经典版本中，从物理狭缝中出现的光会改变其方向，因此干涉图案被写在光的角度轮廓中。相反，新实验中的时间狭缝改变了光的频率，从而改变了其颜色。这创造了相互干扰的光的颜色，增强和抵消了某些颜色，产生了一个干涉型图案。该小组使用的材料是一层氧化铟锡薄膜，它是构成大多数手机屏幕的基础材料。该材料的反射率被激光器以超快的时间尺度改变，为光创造了"缝隙"。该材料对激光控制的反应比研究小组预期的要快得多，在几飞秒内改变其反射率。这种材料是一种超材料--它被设计成具有自然界中没有的特性，这种对光的精细控制是形成超材料的基础条件之一，当与空间控制相结合时，可以创造出新的技术，甚至是用于研究黑洞等基本物理现象的类似物。共同作者JohnPendry爵士教授说："双倍时间狭缝实验为一种全新的光谱学打开了大门，它能够在辐射的一个周期范围内解决光脉冲的时间结构。"该团队接下来希望在"时间晶体"中探索这一现象，它类似于原子晶体，但其光学特性随时间变化。共同作者StefanMaier教授说："时间晶体的概念有可能导致超快的、平行的光学开关"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352837.htm

物理学家观察到预期之外的镜像核子对

物理学家观察到预期之外的镜像核子对原子核是一个繁忙的地方。它的质子和中子周期性地碰撞并以高动量飞散，然后像被拉长的橡皮筋的两端一样折回。物理学家在研究轻核中的这些高能碰撞时发现了一些意想不到的东西：质子与它们的同伴质子碰撞，中子与它们的同伴中子碰撞，而且发生的概率比预期的要频繁。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1321835.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1321835.htm

物理学家实现分子的量子纠缠

物理学家实现分子的量子纠缠物理学家首次实现了对分子的量子纠缠。这一突破可能有助于推动量子计算的实用化。论文发表在《科学》期刊上。实现可控的量子纠缠一直是一大挑战，这次实验之前分子的可控量子纠缠一直无法实现。普林斯顿大学的物理学家找到了方法控制单个分子诱导其进入到互锁量子态。研究人员相信相比原子，分子具有优势，更适合量子信息处理和复杂材料量子模拟等应用。相比原子，分子有更多的量子自由度，能以新方式交互。论文合作者YukaiLu指出这意味着存储和处理量子信息的新方法。来源，，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat