黛博拉·金用量子力学保持冷静

《大众科学》2004年度50位杰出研究员继续在已知物理学边缘调整物质,以揭示其奇异且可能具有实用价值的特性

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编者注:5月中旬,《大众科学》将公布今年《大众科学》10位重要人物的获奖者。从4月13日开始,每周一,我们将介绍一位此前《大众科学》50位获奖者。 《大众科学》50年:2004

获奖原因:创造了一种新型的物质状态,可能有助于我们更好地理解超导体。这些材料在接近绝对零度到“温暖”到大约-170华氏度(-112摄氏度)的温度下,对电流的电阻会完全消失。有一天,超导体可能会成为效率极高的电力线和电子设备的材料,但这种实用、室温版本的开发依赖于对它们更冷表亲的量子力学特性的更好理解。

为了做到这一点,科学家们希望将亚原子粒子排列成模仿超导体的状态。这一直是一项艰巨的任务:研究人员花了70多年的时间才将寒冷的玻色子——它与费米子一起,是构成宇宙中所有已知可见物质的基本粒子——诱导成一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的排列,该排列以物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和萨特延德拉·纳特·玻色命名,他们于1924年对其进行了预测。


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然后,在2003年末,美国国家标准与技术研究所物理学家黛博拉·金的团队使用激光和磁场稳定并冷却钾原子,直到它们形成第一个所谓的费米子凝聚态。在这两种凝聚态中,原子共享相同的量子态并表现出相同的行为。金说,从这个意义上讲,物质的凝聚态类似于超导体中发生的情况,在超导体中,费米电子相互耦合,克服了它们同电荷的排斥力,从而自由流动。

她的工作进展:金说,“我们仍在研究它”,她还是科罗拉多大学博尔德分校(U.C.B.)的物理学教授。金说,她和她的同事们并没有积极地为他们的发现寻求应用。但是,作为费米子凝聚态的创造者,她可能会有大事在等待着她,正如《大众科学》在2004年指出的那样:“早期玻色-爱因斯坦凝聚态的制造者已经因他们的成就获得了诺贝尔奖,而金似乎注定最终也会这样做。”
她现在正在做什么:金仍在继续她的量子力学研究,保持冷静——但这一次,她通过超冷却分子而非单个原子提高了赌注。金指出,“冷却分子比冷却原子困难得多。”

她和U.C.B.的同事物理学家Jun Ye最近成功地制造了一种由超冷钾和铷极性分子组成的气体,其温度接近金之前观察到费米子凝聚态的量子区域。正如极性分子的名称所暗示的那样,它们具有带相反电荷的区域,使分子能够在不直接接触的情况下“感觉到”并相互作用,就像靠在一起的磁铁一样,金说。从这个意义上讲,它们也有些像自然排斥的电子,除非它们在超导状态下达到量子和谐。

金制造这些新的、非自然的物质状态的目标之一是设计简单的模型,以帮助阐明现实世界中更复杂的量子系统的不可预测性。金说,“超冷原子的一个好处是,你可以把它们看作是你可以玩转量子力学的模型系统。”

她的工作进入了所谓的多体物理学领域,该领域旨在理解多重相互作用粒子的涌现特性。金说,“当存在大量粒子时出现的行为在技术上是相关的”,这对于超导体和量子计算概念都是如此。在总结这个物质的量子谜团时,她说:“10万个原子所做的不是一个原子所做的10万倍。”

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