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 文／陳根

固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子體是為人所熟悉的物質(zhì)的四種狀態(tài)，而在這四種狀態(tài)之外，則還存在物質(zhì)第五態(tài)，即玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)。

早在20世紀(jì)20年代初，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和印度數(shù)學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）就預(yù)言了玻色－愛因斯坦凝聚（Bose－Einstein condensate，BEC）的存在。

玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)是玻色子原子冷卻到略高于絕對(duì)零度時(shí)形成的。這會(huì)導(dǎo)致它們下沉到能量最低的量子態(tài)，移動(dòng)非常緩慢，并且靠近到可以重疊，從而產(chǎn)生一個(gè)高密度的原子云。這時(shí)的物質(zhì)狀態(tài)不再表現(xiàn)為單個(gè)原子和粒子，而是一個(gè)處于量子態(tài)的實(shí)體，表現(xiàn)出統(tǒng)一的狀態(tài)。

當(dāng)然，物理的實(shí)驗(yàn)要追趕上理論，往往還需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。在玻色－愛因斯坦凝聚的理論預(yù)測(cè)誕生70多年后，這種狀態(tài)真正地在實(shí)驗(yàn)室中被制造出來(lái)，并且，至今為止，物理學(xué)家們?nèi)栽趪L試制備物質(zhì)的第五狀態(tài)。

近日，來(lái)自芝加哥大學(xué)和山西大學(xué)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)將6萬(wàn)個(gè)11納開爾文的銫原子固定在他們制造的二維平坦勢(shì)阱中，產(chǎn)生了銫原子的玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)，在磁場(chǎng)的作用下，這些原子形成了分子，首次形成較為穩(wěn)定的銫分子玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)極冷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)分三個(gè)階段來(lái)冷卻銫原子。

第一階段是激光冷卻，銫原子被放到磁光阱中，銫原子受到來(lái)自三對(duì)方向垂直的特定頻率的激光照射，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向與激光方向相對(duì)時(shí)，銫原子會(huì)吸收光子，同時(shí)獲得原先光子的動(dòng)量，但由于兩者運(yùn)動(dòng)方向相反，銫原子的動(dòng)量會(huì)降低，也就是讓其降溫。在這個(gè)過(guò)程中，銫原子能被冷卻到幾微開爾文量級(jí)。

第二階段需要拉曼邊帶冷卻，即將銫原子束縛到光晶格中，每個(gè)格點(diǎn)可以近似看作一個(gè)簡(jiǎn)諧子勢(shì)阱。在簡(jiǎn)諧子勢(shì)阱中，原子一般不處于振動(dòng)能級(jí)基態(tài)。而由于外加磁場(chǎng)對(duì)原子造成的塞曼效應(yīng)（Zeeman effect），原子能級(jí)分裂成多個(gè)能級(jí)。

調(diào)整磁場(chǎng)讓分裂能級(jí)間隔和原子振動(dòng)能級(jí)間隔相同，再通過(guò)拉曼雙光子過(guò)程，改變?cè)拥拇帕孔訑?shù)和振動(dòng)能級(jí)，讓原子處于最低能量狀態(tài)，這樣就能讓原子冷卻到幾百納開爾文左右。

第三階段需要用到蒸發(fā)冷卻。將原子固定到勢(shì)阱中，不斷降低勢(shì)阱的深度，讓動(dòng)能較高的原子自發(fā)逃出勢(shì)阱。就像蒸發(fā)一樣，逃走的原子帶走了部分熱量，剩下的原子經(jīng)過(guò)彈性碰撞達(dá)到平衡后，相較于之前的狀態(tài)，整體溫度進(jìn)一步降低。最終，通過(guò)三個(gè)冷卻步驟，研究人員得到了6萬(wàn)個(gè)11納開爾文的銫原子組成的凝聚體。

將6萬(wàn)個(gè)銫原子冷卻到11納開爾文，并固定到二維平坦勢(shì)阱中后，銫原子就已經(jīng)進(jìn)入了玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)。接下來(lái)，研究人員通過(guò)控制磁場(chǎng)變化，讓銫原子變?yōu)榱虽C分子，首次形成較為穩(wěn)定的銫分子玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)。

這對(duì)于量子力學(xué)的研究無(wú)疑是種新突破，實(shí)際上，量子科學(xué)觸及了人們生活的方方面面。量子力學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)分支，專注于研究原子和亞原子粒子的行為，是包括手機(jī)和計(jì)算機(jī)在內(nèi)的許多現(xiàn)代技術(shù)中多種組件的構(gòu)成基礎(chǔ)，涉及了硅的電子波動(dòng)特性。更多的突破也將為人類探索未知做出更多鋪墊。