陳根：物質第五態新突破——讓分子穩定進入的物質第五態_風聞

文/陳根

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

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

玻色-愛因斯坦凝聚態是玻色子原子冷卻到略高於絕對零度時形成的。這會導致它們下沉到能量最低的量子態，移動非常緩慢，並且靠近到可以重疊，從而產生一個高密度的原子雲。這時的物質狀態不再表現為單個原子和粒子，而是一個處於量子態的實體，表現出統一的狀態。

當然，物理的實驗要追趕上理論，往往還需要漫長的時間。在玻色-愛因斯坦凝聚的理論預測誕生70多年後，這種狀態真正地在實驗室中被製造出來，並且，至今為止，物理學家們仍在嘗試製備物質的第五狀態。

**近日，****來自芝加哥大學和山西大學的國際研究團隊將6萬個11納開爾文的銫原子固定在他們製造的二維平坦勢阱中，產生了銫原子的玻色-愛因斯坦凝聚態，**在磁場的作用下，這些原子形成了分子，首次形成較為穩定的銫分子玻色-愛因斯坦凝聚態。

為了實現極冷的實驗環境，研究團隊****分三個階段來冷卻銫原子。

第一階段是激光冷卻，銫原子被放到磁光阱中，銫原子受到來自三對方向垂直的特定頻率的激光照射，當其運動方向與激光方向相對時，銫原子會吸收光子，同時獲得原先光子的動量，但由於兩者運動方向相反，銫原子的動量會降低，也就是讓其降温。在這個過程中，銫原子能被冷卻到幾微開爾文量級。

第二階段需要拉曼邊帶冷卻，即將銫原子束縛到光晶格中，每個格點可以近似看作一個簡諧子勢阱。在簡諧子勢阱中，原子一般不處於振動能級基態。而由於外加磁場對原子造成的塞曼效應（Zeeman effect），原子能級分裂成多個能級。

調整磁場讓分裂能級間隔和原子振動能級間隔相同，再通過拉曼雙光子過程，改變原子的磁量子數和振動能級，讓原子處於最低能量狀態，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冷卻。**將原子固定到勢阱中，不斷降低勢阱的深度，讓動能較高的原子自發逃出勢阱。就像蒸發一樣，逃走的原子帶走了部分熱量，剩下的原子經過彈性碰撞達到平衡後，相較於之前的狀態，整體温度進一步降低。最終，通過三個冷卻步驟，研究人員得到了6萬個11納開爾文的銫原子組成的凝聚體。

將6萬個銫原子冷卻到11納開爾文，並固定到二維平坦勢阱中後，銫原子就已經進入了玻色-愛因斯坦凝聚態。接下來，研究人員通過控制磁場變化，讓銫原子變為了銫分子**，**首次形成較為穩定的銫分子玻色-愛因斯坦凝聚態。

這對於量子力學的研究無疑是種新突破，實際上，量子科學觸及了人們生活的方方面面。量子力學作為物理學的一個分支，專注於研究原子和亞原子粒子的行為，是包括手機和計算機在內的許多現代技術中多種組件的構成基礎，涉及了硅的電子波動特性。更多的突破也將為人類探索未知做出更多鋪墊。