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科学家首次观察到“物质第五态”中单个原子的空间分布

2018-08-19 10:21

  经典物理学认为,物质的形态包括固态、液态、气态和等离子态。自1924年以后,“玻色爱因斯坦凝聚态”成为传说中的物质第五态。据10月22日“每日科学”网站报道,近日美因茨大学的科学家们,对物质第五态的研究取得突破性进展,首次成功地观察到“玻色爱因斯坦冷凝物”中单个原子的空间分布。

  “玻色爱因斯坦凝聚”概念最早由印度物理学家玻色提出,爱因斯坦将其理论用于原子气体中,进而做出预言:物质除四态外,还存在另外的一种状态。当温度足够低、运动速度足够慢时,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,此时所有的原子“凝聚”到同一状态,就像一个“超级原子”一样,具有完全相同的物质。

  然而,实现及研究“玻色爱因斯坦凝聚”的条件极为苛刻:一方面需要达到极低的温度(绝对零度的十亿分之几度),另一方面还需要原子体系处于气态。这在当时几乎是自相矛盾的,一直到理论提出71年之后,美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学的科学家才有所发现,于铷原子蒸气中第一次直接观测到了“玻色爱因斯坦凝聚”。此后三位科学家因对它的研究获得2001年度的诺贝尔物理学。这是一种相对纯粹的“玻色爱因斯坦冷凝物”,由此科学界对物质第五态的研究迈出关键性一步。

  而今美因茨大学的物理学家们竖立起一座新的里程碑。研究小组开发出高分辨率扫描电子显微镜,其空间分辨率远远超过以往使用的任何方法,能以极细电子束扫描超冷原子云,使得最微小的结构都清晰可见,因此可用于绘制“玻色爱因斯坦冷凝物”中的单个原子。同时,研究人员成功使光晶格的结构变得可见,只要将冷原子置于其中,就可藉着调控光晶格来操控原子间的。

  研究人员表示,这一将加深人们对物质第五态的了解,“玻色爱因斯坦凝聚”对于爆发、黑洞的模拟也会促进物理学的发展。而在物理学界,这诚如一面放大镜,将量子的微观世界徐徐呈现在人们眼前。

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