为什么只有在非常特殊的条件下，玻色-爱因斯坦凝聚才会出现？

寒郁轩良

玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的宏观量子相，只有在非常特殊的条件下才会出现。了解更多关于物质的这些阶段，可以帮助科学家更好地理解基本的量子行为，并可能对未来的量子技术做出贡献。这就是为什么来自科罗拉多州立大学的科学家Kate Ross和博士候选人Gavin Hester，来到能源部的橡树岭国家实验室(ORNL)探索一种名为硅酸镱的材料。硅酸镱是唯一一种基于稀土元素的磁性材料、

硅酸镱显示出玻色-爱因斯坦凝聚态的证据，这可能是理解其他基于稀土元素的磁体中量子现象的关键。通过探测带有中子的硅酸镱样品，研究人员希望生成这种独特玻色-爱因斯坦凝聚体的详细图，然后利用该图通过识别其他磁性材料中的奇异量子态来验证假设，其研究发现发表在了《物理评论快报》期刊上。如果能更好地理解在这种材料中看到的玻色-爱因斯坦凝聚态，那么就有可能利用这些知识在其他基于稀土元素的磁性材料中，发现类似的多体量子态。

玻色-爱因斯坦凝聚态，也被称为BEC相，是一种量子流体，其中粒子的行为不再像单个实体一样，而是像波一样在单一、统一的系统结构中相互同步地移动，不同于任何固体、液体、气体或等离子体，只有在接近绝对零度或0K(约-460°F)的温度下才会出现。关于这种独特的物质状态，科学家们仍有很多需要了解，但有希望它的独特性质有朝一日能为先进材料做出贡献。玻色-爱因斯坦凝聚体和当前量子技术提议之间没有直接的联系。

但是关于这种材料的行为，也有很多需要了解的，而回答一些关于量子现象基本问题将是未来科学成就的基础。首先，科学家一直认为玻色-爱因斯坦凝聚态不会出现在基于稀土元素的磁性材料中，因为那些特殊磁相互作用似乎不够各向同性，不足以出现BEC相。但是，在过去的实验中观察到硅酸镱中存在BEC相的证据后，研究团队怀疑这个假设可能是错误的。当看到BEC相的证据时，研究人员很惊讶，这表明Yb是形成多体量子态的一种，比我们之前认为更多用途的成分。

为了更好地了解硅酸镱承载BEC相的能力，Ross在橡树岭国家实验室的散裂中子源(SNS)使用了冷中子斩波器光谱仪(CNCS)，在高通量同位素反应堆(HFIR)使用了固定入射能量三轴光谱仪(FIE-TAX)来探测硅酸镱的结晶样品。互补X射线和中子散射测量是在阿贡国家实验室和国家标准与技术研究所进行的。这些实验已经进行了近4年，研究小组早在2015年就开始种植硅酸镱的样品，并绘制出这种材料的行为。研究使用了科罗拉多州立大学和加拿大舍布鲁克大学的各种探测器。

利用这些探测器来初步了解材料的行为，但更渴望使用中子散射来探测样品。中子具有很强的穿透性，当中子通过样品时，会以这样一种方式搅动这些新兴的量子粒子，这样就可以准确地测量这些粒子在硅酸镱微观结构中的行为。为了准备中子散射的样品，研究人员必须切割并排列每一颗晶体，使每一颗晶体都指向相同的方向。此外必须将硅酸镱样品暴露在磁场中，并使用特殊的冷却室将样品降至-459.28°F，这比星际空间更冷，而且非常接近绝对零度的温度。

把这个实验放在一起需要做很多工作，但获得的数据绝对值得研究团队付出的努力。研究不仅能阐明硅酸镱BEC相是如何独一无二的，而且还能让研究人员更好地理解量子现象，就像它们出现在其他基于稀土元素的磁性材料中一样。研究人员有兴趣更多地了解硅酸镱中的BEC相，但更希望我们在这里学到的东西，也能帮助在稀土材料中发现更多量子态，这种基本理解对于形成未来量子技术的材料平台至关重要。

博科园｜研究/来自：橡树岭国家实验室
参考期刊《物理评论快报》
博科园｜科学、科技、科研、科普