图片来源：杰弗里·麦圭尔克 |
研究人员早就知道，原子可以进行一种被称为自旋波的奇异技巧——量子力学中相当于体育观众的“人浪”——通过改变其磁场旋转的方向。但是，这种奇特行为的证据一直局限于通过核磁共振成像进行的间接探测。现在，科罗拉多大学诺贝尔奖得主埃里克·康奈尔实验室的科学家们首次拍摄到了自旋波在空间中起伏的图像。这些发现可能有助于开发具有极高密度内存的超高速“自旋电子”计算机。
“在某种奇怪的程度上，这几乎就像原子们在相互交谈以集体行动，即使一个原子可能与另一个原子相隔数千个原子直径，”首席研究员杰弗里·麦圭尔克评论道。为了观察自旋波，麦圭尔克和物理学家希瑟·莱万多夫斯基以及戴夫·哈伯首先用一团铷原子冷却到略高于绝对零度的温度。然后，他们将超冷气体原子以棒状结构磁性排列，长度仅为 400 微米，大约是人类头发宽度的四倍。
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原子就像带有南北极的小磁铁一样，可以沿其轴线向一个方向或另一个方向旋转。“它们都开始指向一个方向，但由于量子力学的怪异性，我们开始看到这些小波纹，”麦圭尔克报告说。“这就像人们在做人浪。你可以说一端指向上方的磁铁就像站起来的人，另一端的磁铁就像坐下的人，而中间的磁铁则指向中间的某个位置。”（左图显示了平行于外部磁场的铷气体中的自旋波；右图显示了垂直于外部磁场的自旋波。红色表示波正在“向上”旋转——即与磁场对齐；蓝色表示它正在向下旋转，或逆着磁场。）
提交给《物理评论快报》发表的这些发现表明，通过调整磁场强度和云密度，研究人员可以控制自旋波的演变并拍摄每个阶段的快照。这些结果应有助于科学家更好地理解量子力学的奇异、模糊的世界，随着电子设备变得越来越小，量子力学将变得越来越重要。