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爱因斯坦凝聚是怎样的存在,爱因斯坦凝聚研究

发布时间:2019-07-11 08:55编辑:生命科学浏览(199)

    “高温”玻色-爱因斯坦凝聚研究获突破性进展

    “高温”玻色—爱因斯坦凝聚是怎样的存在? 美国麻省理工学院孙永宝博士科普量子计算机前沿

    如果你想建立一个量子计算机,你需要一种方法来构造一堆处于相同状态的量子位,并实现这些量子位的逻辑运算。有没有可能使自然界中不同能量、不同状态的粒子,变成同一个量子状态的拷贝?有没有可能通过粒子之间的相互作用,操纵它们来进行简单的量子计算操作呢?

    迄今为止,科学家还没有研制出真正意义上的量子计算机。实现量子计算的关键在于对微观量子态的构造以及精确操纵。玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)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。

    让原子“凝聚一心”

    美国麻省理工学院孙永宝博士担纲的研究团队,通过建立光学谐振的激子等离激元体系,首次在40K的温度下实现了BEC,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。日前,孙博士向科技日报记者介绍了BEC的进展和最新突破。

    大量相同量子态的粒子拷贝可以通过玻色-爱因斯坦凝聚来实现。1925年,爱因斯坦预言,在极低的温度下,由服从玻色-爱因斯坦统计的原子可能会发生神奇的转变。随着温度不断逼近绝对零度,越来越多的原子会聚集于最低的能量状态上,直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上,而整体呈现出一个量子状态,所有的原子似乎都变成了同一个原子,不再分你我他了。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation,BEC)”,被称为是与气态、液态、固态、等离子态并列的,物质的“第五态”。

    根据量子力学,微观粒子具有波粒二象性。以原子为例,它既是粒子也是波。气态原子在常温下表现出经典粒子的特点,随着温度降低,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,本来各自独立的原子会变成一群“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”。这种状态也被称为与气相、液相、固相、等离子体并列的物质“第五相”。

    自此,很多实验物理学家致力于实现爱因斯坦的预言。然而,直到七十年后,这个预言才被实验物理学家在170 nK的温度证实。 这一温度要比自然条件下存在的最低温度低百万倍。在自然条件下,最低温度是太空的温度,也就是宇宙背景辐射的温度,大约为3K。因为首次在超低温下实现了玻色-爱因斯坦凝聚这种神奇的量子现象,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼分享了2001年的诺贝尔物理学奖。

    要验证爱因斯坦的预言,需要将系统的温度降到极低。直到1995年,美国科罗拉多大学的埃里克:康奈尔和卡尔:威曼利用磁场约束原子,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0.17度)温度下实现了BEC,并因此得了2001年的诺贝尔物理学奖。

    打破温度的局限

    自然条件下的最低温度约为3K,也就是宇宙背景辐射的温度。埃里克和卡尔实现BEC的温度比自然最低温还要低百万倍。在当时,这种物质状态真可谓是“最冷的相”。

    之后的二十多年间,科学家们使用不同原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚,然而,这些原子的转变温度都局限于超低温。有没有可能在更高的温度下实现呢?

    尽管科学家可使用不同原子实现BEC,但转变温度都局限于超低温,很难进入实际应用。怎样才能在更高温度下实现BEC呢?

    理论上讲,玻色-爱因斯坦凝聚的转变温度主要由粒子的质量决定。质量越轻的粒子,就可能在越高的温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚。激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,质量仅为原子质量的千万分之一至一亿之一,是在“高温”下实现玻色-爱因斯坦凝聚的潜在好体系。2006年,来自法国的科学家J. Kasprzak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。

    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,在温度降到4K时,观测到了基态的宏观占据和相干态的形成,向实现“高温”BEC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。粒子质量越轻,就可能在越高温度下实现凝聚。

    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。然而,激子等离激元的寿命很短,只有1ps (1×10-12s)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形成平衡态。如果无法达到平衡态,就无从谈起相变,更不要说玻色-爱因斯坦凝聚了。也因为如此,科学家们将2006年Kasprzak等人的贡献折中地称为“准”或者“半”玻色爱因斯坦凝聚。

    激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,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。然而其寿命只有1皮秒(1×10-12秒)左右。在如此短暂的寿命里,其没有足够的时间达到热平衡,更无法形成BEC。也因此,科学家们将卡斯普扎克等人的贡献折中地称为“准”或者“半”BEC。

    2017年1月,美国《物理评论快报》杂志发表的一项研究,首次采用超长寿命激子的等离激元和环形光阱,实现了在40K下的玻色-爱因斯坦凝聚。该研究的负责人、美国麻省理工学院孙永宝博士等利用一种特殊的半导体结构,将激子等离激元的寿命提高了两百多倍,从1ps左右提高到270ps, 为实现玻色-爱因斯坦凝聚提供了新的契机。此外,他们巧妙地通过光学手段将激子等离激元束缚在一个环形光阱中,增加了激子等离激元之间相互作用的概率。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。这项研究成果为玻色-爱因斯坦凝聚走出实验室,走向工业界提供了可能。

    2017年1月,美国《物理评论快报》杂志发表了一项研究,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BEC。负责该项研究的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,并通过空间光学调制手段将其束缚在一个环形光阱中。这种束缚可增加激子等离激元之间相互作用的概率,有效促进其达到热平衡。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”下实现的BEC。至此,BEC终于突破至寒。

    凝聚中的相互作用

    “高温”BEC的实现为其走出实验室,走向工业界提供了可能。那么,“高温”BEC中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”BEC在量子计算中的应用价值。

    量子器件计算功能的核心是相互作用,如果粒子之间没有相互作用,各种逻辑运算就无法实现,也不能进行人工操控,那么就无从谈起量子器件。虽然高转变温度的玻色-爱因斯坦凝聚的实现使科学家们颇为兴奋,但是这种兴奋逐渐趋于平静。因为激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,科学家们猜测他们之间的相互作用非常弱,无法实现全光量子器件。然而,实现“高温”玻色-爱因斯坦凝聚的孙永宝博士却有着不同的看法。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。这种增益相互作用机制非常复杂,现在的理论还暂时不能给出精确的计算,所以只能诉诸于实验测量。

    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,因为产生激子等离激元的同时,也会产生自由载流子二者之间的相互作用,会对激子等离激元相互作用强度的测量造成很大的干扰。

    那么,激子等离激元之间的相互作用,到底有多强?2017年9月,英国《自然?物理》杂志发表了孙永宝博士的 另一项研究成果。该研究中,孙永宝博士和同事第一次对激子等离激元的相互作用常数进行了定量测量,揭示了激子等离激元并不是传统理论所预测的弱相互作用体系。这项研究成果不仅改变了学界对基于激子等离激元的传统认识,而且对基于激子等离激元的全光量子器件的研发有重大的指导意义。

    2017年9月,在英国《自然:物理》发表的另一项研究成果中,孙永宝博士构思了一个聪明的办法来解决这个问题:让自由载流子和激子等离激元赛跑!由于激子等离激元比自由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,就可以将二者分开。他们把起跑线设为环形,利用“超长寿”激子等离激元,有效地分开了激子等离激元和自由载流子,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。

    孙永宝博士解释说,“和正电荷与正电荷之间相互排斥一样,激子等离激元之间也会互相排斥,这种排斥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,这个比例常数就是激子等离激元的相互作用强度。因此,只要能对这个基态能量的改变量以及激子等离激元的数密度进行测量,我们就可以得到激子等离激元的相互作用强度。”

    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。

    虽然实验原理很简单,但是激子等离激元基态能量的改变量和数密度都很难获得精确的测量。激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,一般通过过带隙的激光激发半导体材料产生。这种过带隙的激光同时也会产生自由载流子,而自由载流子也会与激子等离激元之间相互作用,改变激子等离激元的基态能量。这也是科学家们长期以来测量激子等离激元相互作用强度的最大障碍。

    然而,孙永宝博士却持不同观点。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。这种增益相互作用机制非常复杂,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。

    “虽然过带隙激光会同时产生自由载流子和激子等离激元,但是激子等离激元比自由载流子轻一万倍左右,这也就意味着在相同外力驱动下,激子等离激元可以跑得更快,只要给予足够的时间,就可以自由载流子分开。过去的数十年间,激子等离激元的寿命只有1ps,赛跑还没开始就衰减了。而我们“长寿”的激子等离激元恰恰为他们的赛跑提供了可能。”

    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。

    基于此设想,孙永宝博士和同事通过空间调制技术,将激发激光的光斑调整成一个环形。由于粒子之间的相互排斥作用,激子等离激元和自由载流子都会向圆环中心和圆环外部逃逸。圆环直径是40微米。由于激子等离激元逃逸的速度更快,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,他们就有效的分开了激子等离激元和其他干扰粒子。

    由于BEC和超导存在的联系,“高温”BEC的实现,将为高温超导提供了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。

    “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,而激子等离激元基态能量的改变量可以通过光谱仪进行高精度的测量,这样一来,我们就可以确定激子等离激元的相互作用强度了。”实验测量验证了他们的猜想。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。

    (科技日报纽约5月12日电)

    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。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。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操纵。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。 基于光学谐振的激子等离激元体系已经可以在40K的温度下实现玻色-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。

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