玻色─愛因斯坦凝態達破紀錄低溫,只比絕對零度高 38pK

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 11 日 15:06 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


雖然我們永遠不可能將物質冷卻到絕對零度那個點,但有機會無限接近。最近德國不萊梅大學團隊利用一種新方法,將玻色─愛因斯坦凝態冷卻到只比絕對零度高 38pK,刷新以往最低溫物質紀錄。

絕對零度(absolute zero)是熱力學中物質的最低溫度,溫標寫成 0K,等於攝氏溫標零下 273.15℃,當物質冷卻至接近絕對零度時會呈現氣態、超流性物質狀態,稱為玻色─愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate,BEC),此時單個原子形成單一相干物質波,科學家可趁此利用干涉儀測量原子旋轉、加速度或作用其上重力的最小變化,前者能提升導航精確度,後者可用於測試基本物理理論。

不過困難的是,絕對零度僅存於理論,由於我們永遠無法消除系統原子的所有動能,因此科學家不可能製造出達絕對零度的物質。但我們可非常接近絕對領域,如幾年前,哈佛大學團隊研究物質在 500nK 低溫下的化學反應;國際太空站的冷原子實驗室(CAL)更在 100nK 環境實驗,且由於離地表較遠、重力變小,製造出的玻色─愛因斯坦凝態能維持 5~10 秒,反觀地球實驗室製造的玻色─愛因斯坦凝態都一閃即逝,難以觀察。

上述種種實驗,現在全被德國不萊梅大學團隊的最新研究打破紀錄了。利用控制玻色─愛因斯坦凝態膨脹自由落體的新方法,團隊製造出史上最低物質溫度,只比絕對零度高 38pK(1/3,800,000,000,000)。

研究人員首先在真空磁場捕捉 10 萬個銣原子雲,接著將它們冷卻成玻色─愛因斯坦凝態量子氣體,所有原子開始像一個大原子作用,我們開始看到奇怪的量子效應。

然而溫度還不夠低,因此團隊讓玻色─愛因斯坦凝態像自由落體在磁阱中落下 120 公尺,過程反覆關閉打開磁場:當磁場關閉時,氣體開始膨脹,磁場重新打開氣體則被迫再次收縮,這種切換讓氣體膨脹幾乎停下,降低分子動能並繼續降低溫度,最後達到僅比絕對零度高 38pK 的溫度。

雖然僅維持 2 秒,但電腦模擬表明應可在失重環境維持 17 秒,如外太空,未來團隊希望可在冷原子實驗室測試此新方法。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:pixabay

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