二维量子冻结：纳米粒子在两个运动维度上被冷却到量子基态

二维量子冻结：纳米粒子在两个运动维度上被冷却到量子基态物理学家正在研究真空中被激光捕获的玻璃纳米粒子，以探索量子世界的极限并确定经典物理学何时不再适用。这是ERC-Synergy项目Q-Xtreme的一部分，其中一个团队正在努力通过尽可能减少纳米粒子运动中储存的能量来实现量子基态。由LukasNovotny（苏黎世联邦理工学院）、MarkusAspelmeyer（维也纳大学）、OriolRomero-Isart（因斯布鲁克大学）和RomainQuidant（苏黎世）组成的团队正试图在ERC-Synergy项目Q-Xtreme中回答这一问题。实现这一目标的一个关键步骤是尽可能地减少纳米粒子运动中储存的能量，即把粒子冷却到所谓的量子基态。对运动的所有维度进行控制Q-Xtreme团队在纳米粒子的基态冷却方面已经合作了很长时间。在苏黎世和维也纳的几次实验中，在Gonzalez-Ballestero博士和因斯布鲁克大学的Romero-Isart教授的理论计算支持下，通过使用电子控制（主动反馈）抑制粒子运动或将粒子置于两个镜子之间（基于空腔的冷却），首次展示了纳米粒子的这种基态冷却。到目前为止，在实验中，只沿粒子运动的三个方向中的一个方向实现了基态，而沿另外两个方向的运动则是"热"的。带有实验装置的真空室将粒子悬浮在一个空腔内。腔体由两面镜子组成，镜子上有涂层，对红外光有极强的反射性。中间的圆柱形部分在其顶端有一个透镜，将红外激光聚焦到粒子被困住的地方。资料来源：JohannesPiotrowski奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的冈萨雷斯-巴列斯特罗强调说："沿着一个以上的方向实现基态冷却是探索新型量子物理学的关键。但到目前为止，这一成就仍然难以实现，因为要使粒子位于其间的镜子与沿三个方向的某些运动有效地相互作用，这是一个挑战。所谓的"暗模效应"阻止了冷却到完全基态。"以不同的频率来实现目标现在，苏黎世联邦理工学院光子学实验室的研究首次成功实现了纳米粒子沿两个运动方向的基态冷却。一个比沙粒小约一千倍的玻璃球在高真空中与环境完全隔离，并由一束强聚焦的激光束照射，同时被冷却到接近绝对零度。基于因斯布鲁克团队的理论预测，瑞士物理学家们能够规避暗态问题。苏黎世联邦理工学院的LukasNovotny说："为了做到这一点，我们设计了粒子在两个方向振荡的不同频率，并仔细调整了激光的偏振。"这项发表在《自然-物理学》上的工作表明，有可能达到三个运动方向的最小能量状态。它还允许在两个方向上创建脆弱的量子态，这可用于创建超灵敏的陀螺仪和传感器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348059.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348059.htm

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三重子。资料来源：JoseLado/AaltoUniversity"这些材料非常复杂。它们能提供非常令人兴奋的物理学，但最奇特的材料也很难找到和研究。"阿尔托大学原子尺度物理学研究小组组长彼得-利尔耶罗斯教授说："因此，我们正在尝试一种不同的方法，利用单个成分构建人工材料。量子材料受微观层面电子间相互作用的支配。这些电子关联导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂磁态，而量子关联又产生了新的电子态。在两个电子的情况下，存在两种纠缠态，即单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发会以一种称为三重态（triplon）的纠缠波在材料中传播。传统磁性材料中不存在这种激发，因此测量这种激发一直是量子材料领域的一项挑战。在这项新研究中，研究小组利用小型有机分子创造了一种具有不同寻常磁性能的人工量子材料。实验中使用的每个钴-酞菁分子都含有两个前沿电子。德罗斯特说："利用非常简单的分子构件，我们能够以一种前所未有的方式设计和探测这种复杂的量子磁体，揭示其独立部分所不具备的现象。虽然人们早已利用扫描隧道光谱法观测到了孤立原子中的磁激发，但还从未利用传播的三重子完成过这一观测。我们利用这些分子把电子捆绑在一起，把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，从外部观察这样的分子，我们会看到两个电子的联合物理学。因为我们的基本构件现在包含两个电子，而不是一个，所以我们看到的是一种非常不同的物理学。"研究小组首先监测了单个钴-酞菁分子的磁激发，随后监测了分子链和分子岛等较大结构的磁激发。研究人员希望通过从非常简单的现象入手，逐步提高复杂性，从而了解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，其构建模块的单三重激发可以作为被称为三重子的奇异磁性准粒子穿越分子网络。"我们的研究表明，我们可以在人造材料中产生奇异的量子磁激发。"这项研究的共同作者之一、阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人何塞-拉多（JoseLado）助理教授说："这一策略表明，我们可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性。"研究小组计划将他们的研究方法扩展到更复杂的构件，以设计量子材料中其他奇异的磁激发和有序化。从简单成分出发进行合理设计，不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，还能为设计量子材料建立新的平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379219.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379219.htm

"量子雪崩" - 可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象

"量子雪崩"-可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象对"量子雪崩"的新研究揭开了绝缘体到金属转变的神秘面纱，发现了电阻开关的新见解，并为微电子学带来了潜在的突破。对于需要多大的电场等问题，科学家们展开了激烈的争论，比如布法罗大学凝聚态物质理论家JongHan。韩博士是文理学院物理学教授，他是一项研究的第一作者，该研究采用新方法解答了绝缘体到金属转变的一个长期谜团。这项题为"通过隙内梯形态的量子雪崩导致的相关绝缘体塌缩"的研究于今年五月发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上。布法罗大学物理学教授JongHan是一项新研究的第一作者，该研究有助于解开一个长期存在的物理学谜团，即绝缘体如何通过电场转变为金属，这一过程被称为电阻开关。图片来源：布法罗大学DouglasLevere电子通过量子路径运动Han说，金属和绝缘体的区别在于量子力学原理，量子力学原理规定电子是量子粒子，它们的能级在具有禁带间隙的带中运动。自20世纪30年代以来，朗道-齐纳公式一直是确定将绝缘体的电子从低能段推向高能段所需电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料所需的电场要比朗道-齐纳公式估计的小得多，大约小1000倍。"因此，存在着巨大的差异，我们需要一个更好的理论，"Han说。解决差异为了解决这个问题，Han决定考虑一个不同的问题：当已经在绝缘体上带的电子被推动时会发生什么？Han利用计算机模拟了电阻开关，其中考虑到了上带电子的存在。结果表明，一个相对较小的电场就能引发下带和上带之间间隙的塌缩，为电子在带间上下移动创造量子路径。Han打了个比方："想象一些电子在二楼移动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前被禁止的量子跃迁打开了，地板的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。那么，问题就不再是底层的电子如何跳起来，而是更高的楼层在电场作用下的稳定性"。这一想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异。它还在一定程度上澄清了关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极热引起的转变的争论。Han的模拟表明，量子雪崩并非由热量引发。然而，从绝缘体到金属的完全转变要等到电子和声子（晶体原子的量子振动）的温度达到平衡时才会发生。Han说，这表明电子和热转换的机制并不是相互排斥的，而是可以同时发生的。"因此，我们找到了一种理解整个电阻开关现象某些角落的方法，"Han说。"但我还认为这是一个很好的起点。"研究可改进微电子学这项研究的共同作者是哥伦比亚大学工程与应用科学学院电子工程系教授兼系主任乔纳森-伯德（JonathanBird）博士，他提供了实验背景。他的团队一直在研究在低温下呈现出新状态的新兴纳米材料的电学特性，这可以让研究人员学到很多关于支配电学行为的复杂物理知识。伯德说："虽然我们的研究侧重于解决新材料物理学的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电学现象最终可能为新的微电子技术奠定基础，例如用于人工智能等数据密集型应用的紧凑型存储器。"潜在应用这项研究对于试图模拟人类神经系统电刺激的神经形态计算等领域也至关重要。"不过，我们的重点主要是理解基本现象学，"伯德说。自论文发表以来，Han已经设计出一种分析理论，与计算机的计算结果非常吻合。不过，他还有更多的研究要做，比如量子雪崩发生所需的确切条件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376849.htm

物理学家观测到“不可观测”的量子相变

物理学家观测到“不可观测”的量子相变1935年，两位当时最著名的物理学家爱因斯坦和薛定谔就现实本质产生了争论。爱因斯坦认为宇宙是局域性的，一个地方发生的事情不会立即影响遥远的另一个地方。薛定谔认为量子纠缠与局域性的假设相悖。当一对粒子发生纠缠时，测量其中一个粒子会立即影响到另一个粒子，无论它身在何处。这违背了爱因斯坦关于传播速度无法超越光速的铁令。爱因斯坦不喜欢不受范围限制的纠缠，他将其称之为幽灵，认为量子力学理论是不完整的。今天的物理学家基本上解决了该问题，纠缠不会在遥远的地方产生立即的影响，它无法在遥远距离上实现特定结果：它只是传播该结果的知识。过去几年一系列的理论和实验研究揭示了纠缠的新面孔：它不是成对出现，而是以粒子星图的形式出现。纠缠通过一组粒子自然传播，建立了一个复杂的临时网。如果你测量粒子的频率足够多，你能阻止网的形成。这种网状非网状的状态令人想起物质的液态固态。网状与非网状的转变代表着信息结构的变化，这是信息的相变。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

超导连接：晶体条带和量子电子的行为

超导连接：晶体条带和量子电子的行为大多数材料中的电子之间的相互作用非常弱。但是，物理学家经常在电子相互作用强烈的材料中观察到有趣的特性。在这些材料中，电子经常集体表现为粒子，产生了"准粒子"。理化学研究所新兴物质科学中心的克里斯托弗-巴特勒说："一个晶体可以被认为是一个具有不同物理定律的替代宇宙，允许不同的基本粒子生活在那里。"巴特勒及其同事研究了一种晶体，其中一层镍原子被安排在一个方形晶格中，就像一个棋盘。单个电子的质量很小，但在这种晶体中，它们看起来是无质量的准粒子。研究小组开始使用扫描隧道显微镜来研究这种奇怪的效果，但事实证明这具有挑战性。这台核桃大小的显微镜被安置在一个真空室里，周围是一屋子的设备，这些设备创造了与月球表面相当的低温和超低压力。巴特勒说："为了检验这些晶体的原始表面，我们试图裂开一个小片，就像地质学家那样。但是我们必须在真空中做这件事，而且这些晶体非常脆，在这种环境下容易爆炸变成灰尘。"经过无数次的尝试，他们成功了，用显微镜扫描片状物，用一个类似唱机的小针，在它上面加电压，改变电压使他们能够探测到不同的特征。理化学研究所的物理学家观察到，电子（顶部两层）在镍晶体的方形原子晶格（底部一层）上方形成条纹状排列。研究小组证实，镍原子是以棋盘式的排列方式排列的。但令他们惊讶的是，电子打破了这种模式，令其以条纹的形式排列（如图）。这就是所谓的非对称性--系统中的相互作用使电子显示的对称性低于底层材料。巴特勒将这一发现比作站在池塘边扔进一个小石子。他说："你会期望看到圆形的涟漪，所以如果你看到涟漪出现在平行线上，你就会知道发生了一些奇怪的事情。它需要一个解释"。这样的实验将帮助物理学家测试关于具有许多粒子相互作用的量子系统行为的不同拟议理论，例如高温超导体。例如，这些新结果符合日本名古屋大学该研究的共同作者所提出的"密度波"框架的预测。"许多相互作用的电子的行为即使用超级计算机也很难预测，"巴特勒说。"但至少我们可以在显微镜下观察它们在做什么。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354243.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354243.htm

科学家们在寻找暗物质的过程中发现新的物理现象

科学家们在寻找暗物质的过程中发现新的物理现象大约三年前，Wolfgang“Wolfi”Mittig和YassidAyyad开始寻找暗物质--也被称为宇宙中缺失的质量。尽管他们的探索没有发现暗物质，但科学家们还是发现了一些以前从未见过的、无法解释的东西。密歇根州立大学物理和天文学系的汉纳特聘教授、稀有同位素光束设施（简称FRIB）的教员Mittig说：“这就像一个侦探故事。”他说：“我们开始寻找暗物质，但我们没有找到它。相反，我们发现了其他一些对理论解释具有挑战性的东西。”为了使他们的发现有意义，该团队继续工作，进行进一步的测试并积累更多数据。Mittig、Ayyad和他们的同事在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室(NSCL)加强了他们的论点。研究人员在NSCL工作时发现了一条通往他们意料之外的目的地的新路线，他们在《物理评论快报》杂志上披露了这一点。此外，他们还揭示了耐人寻味的物理学在亚原子粒子的超小量子领域中的工作。科学家们特别表明，即使一个原子的中心或原子核挤满了中子，它也能通过吐出一个质子而找到一条通往更稳定构型的路线。暗物质是宇宙中最知名但最不为人所知的事物之一。科学家们几十年来一直知道，根据恒星和星系的运动，宇宙包含的质量比我们能感知的要多。尽管研究人员确信暗物质的存在，但他们还没有找到它的位置，也没有设计出如何直接探测它。西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的加利西亚高能物理研究所（IGFAE）的核物理研究员Ayyad说：“找到暗物质是物理学的主要目标之一。”Mittig说，科学家们已经启动了大约100个实验，试图阐明暗物质到底是什么。他说：“经过20、30、40年的研究，没有一个人成功。”“但是有一个理论，一个非常假想的想法，你可以用一种非常特殊的核子来观察暗物质，”Ayyad说，他以前是NSCL的一个探测器系统物理学家。这一理论的核心是它所谓的暗衰变。它假设某些不稳定的原子核，即自然崩解的原子核，在崩解时可以抛弃暗物质。因此，Ayyad、Mittig和他们的团队设计了一个可以寻找暗衰变的实验，他们知道这种可能性对他们很不利。但是这场赌博并不像它听起来那么大，因为探测异类衰变也让研究人员更好地了解核和量子世界的规则和结构。研究人员有很大的机会发现新的东西。问题是那会是什么。Ayyad说，当人们想象一个原子核时，许多人可能会想到一个由质子和中子组成的块状球。但是原子核可以采取奇怪的形状，包括所谓的晕核。铍-11是晕核的一个例子。它是铍元素的一种形式，或者说是同位素，它的核内有四个质子和七个中子。它将这11个核粒子中的10个保持在一个紧密的中心团中。但有一个中子漂浮在远离核心的地方，松散地与原子核的其他部分结合在一起，有点像月亮环绕地球。铍-11也是不稳定的。在大约13.8秒的寿命之后，它通过所谓的β衰变而崩解。它的一个中子射出一个电子，变成一个质子。这使原子核转变为具有五个质子和六个中子的硼元素的稳定形式，即硼-11。但是根据那个非常假设...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1313757.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1313757.htm