本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
15世纪意大利贵族博罗梅奥家族的族徽上有三个相互 interlocking 的圆圈。在众多解读中，它可以被认为代表了将博罗梅奥家族与另外两个贵族家庭不可分割地联系在一起的联姻——一个强大而稳定的联盟，在许多世纪以来为这个家族提供了良好的服务。
在物理学中，可以说这三个圆环——或原子，或粒子——是纠缠在一起的，这样，如果你拿起其中任何一个，另外两个也会跟随，如果你切断一个，另外两个也会解体。当原子以这种方式表现时，它们被称为 叶菲莫夫态。并且根据《物理评论快报》上的一篇新论文，正如最初的理论所预测的那样，这种状态似乎是可扩展的。[更新：《量子杂志》的娜塔莉·沃尔乔弗 对此新结果有更详细的介绍。]
碰巧的是，我早在 2007 年就写过关于这个的博客（其中一部分被我改编用于这篇文章），就在物理学家首次在实验室中实现叶菲莫夫态之后。从原子角度来说，叶菲莫夫效应是指当两个通常相互排斥的原子在引入第三个原子时变得强烈吸引时会发生什么。
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没错：三人成伙，两人嫌多，这与传统观念背道而驰。然而，叶菲莫夫效应只能在超冷气体中观察到，例如铯，冷却到绝对零度以上十亿分之一度。这比外太空最远处的区域还要冷，外太空的温度徘徊在舒适的 3 开尔文左右。T
叶菲莫夫效应的幕后人物是一位名叫维塔利·叶菲莫夫的俄罗斯物理学家。早在 1969 年，他就获得了理论核物理学的新博士学位，并且拥有足够的年轻乐观主义来做出一个奇怪的预测：即使三个原子中的任何两个通常会相互排斥，但在适当的条件下，应该有可能创造出一种物质状态，在这种状态下，它们将经历不可抗拒的吸引力，形成无限数量的“束缚态”。
他的许多同事认为这有点荒谬，但数学证明了年轻的维塔利的正确性。多年来，理论家们一次又一次地试图推翻叶菲莫夫效应，但结果却进一步证实了它。但它仍然没有在实验室中被观察到。实现这一目标的技术尚不存在。这与创建玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 花费如此长时间的原因相同，玻色-爱因斯坦凝聚态是阿尔伯特·爱因斯坦和印度物理学家萨特延德拉·玻色在 1920 年代首次预测的一种新的物质状态。
请记住，所有物质都表现出波/粒二象性。在正常温度下，原子表现得非常像台球，相互碰撞并与任何包含壁碰撞。降低温度会降低它们的速度。如果温度足够低（绝对零度以上十亿分之一度）并且原子足够密集，它们的波动性就会显现出来。不同的物质波将能够“感知”到彼此并协调自身，仿佛它们是一个巨大的“超原子”。这就是 BEC。
埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用激光和磁冷却设备的组合创建了第一个 BEC。他们通过冷却约 1000 万个铷气原子创建了一个激光阱；冷却后的原子随后被磁场固定在原位。
但是原子仍然不够冷以形成 BEC，因此这两个人添加了第二个步骤，蒸发冷却，其中磁场网密谋将最热的原子踢出，以便较冷的原子可以更紧密地移动在一起。它的工作原理与您早晨的咖啡中发生的蒸发冷却非常相似；较热的原子升到磁阱的顶部，并以蒸汽的形式“跳出”。
威曼和康奈尔于 1995 年 6 月 5 日上午 10:54 创造了物理学历史，产生了持续 15-20 秒的约 2000 个铷原子的 BEC。此后不久，一位名叫沃尔夫冈·凯特勒的麻省理工学院物理学家在他的实验室中实现了 BEC。威曼、康奈尔和凯特勒分享了 2001 年诺贝尔物理学奖。
事实证明，BEC 是实验验证叶菲莫夫效应的关键，因为它们催生了一个研究超冷气体性质的庞大新领域。科罗拉多大学的克里斯·格林（与一位合著者）是第一个预测超冷气体正是实验室中实现这种奇特状态的途径的人。1999 年，诺贝尔奖获得者朱棣文——原子激光冷却和捕获领域的先驱——领导斯坦福大学团队试图创建叶菲莫夫态。即使在绝对零度以上百万分之一度，样品仍然太热。
奥地利物理学家鲁道夫·格里姆在 2005 年西雅图的一次研讨会上遇到了叶菲莫夫，并受到启发，尝试亲自验证叶菲莫夫效应。格里姆在因斯布鲁克大学的研究小组取了三个铯原子，将它们放入真空室，然后使用激光冷却和蒸发冷却的组合将温度降至 -459.6 华氏度。
该技术几乎与创建 BEC 的方式相同，并且如果 BEC 在过去十年中没有在物理学中变得几乎司空见惯，那么叶菲莫夫的奇异理论可能永远不会得到验证。
在与叶菲莫夫会面一年内，格里姆的团队在他的实验室中创建了叶菲莫夫效应。诀窍是将气体置于凝聚的边缘，而不会使其变成真正的 BEC。
关于该实验结果，可能最令人兴奋的事情是它应该是非常普遍的：我们应该能够利用任何一组超冷温度下的三个粒子来创建这种状态。因此，自然而然地，它引发了一个（对于物理学家来说）令人兴奋的新领域，致力于研究少量相互作用粒子的量子力学行为。这是因为，除其他外，这种状态是研究奇异“少体系统”（即只有三到四个粒子的系统，如原子核）的好方法。
2010 年，格里姆的学生程琛（现任芝加哥大学教授）成功地实现了混合叶菲莫夫态——即一种包含超冷铯和锂原子的状态。但是物理学家希望实现的最难实现的目标是实验验证叶菲莫夫原始理论中的另一个预测：这些所谓的“叶菲莫夫三聚体”应该向上扩展。因斯布鲁克团队实现的状态是最小的可能尺度；根据叶菲莫夫的计算，下一个最大的尺度应该大 22.7 倍。
为什么这么困难？尺寸并不是唯一扩展的东西。如果温度不等于或小于将三者结合在一起的结合能，叶菲莫夫三聚体将在形成后立即分解，这意味着您需要比最小的这种状态所需的温度低 2 倍的温度才能扩展到第二小的状态。不知何故，因斯布鲁克团队设法做到了这一点，这要归功于一种新型的阱，并发现了 21.0 的比例因子——非常接近叶菲莫夫的预测值。
假设您已经读到这里，您可能会想：“我为什么要关心？” 凝聚态物理学家经常抱怨他们的工作没有像希格斯玻色子的发现或古怪的中微子发现那样获得相同程度的媒体关注或公众热情。
这在某种程度上是真实的，很大程度上是因为很难传达这项工作为何如此重要，除了它对于验证理论和使进一步的超冷气体实验能够研究奇异的少体系统的重要性之外。反过来，这可能会加深物理学家对量子力学的认识。
诚然，掌握叶菲莫夫效应可能会使工程化物质最基本的性质成为可能，在亚原子水平上，使科学家能够以前所未有的控制能力创造出所有种类的其他情况下不可能存在的新型奇异分子。纳米技术一直在摆弄材料的特性，但在量子水平上这样做意味着您也可以摆弄原子相互作用。
也就是说，仍然存在需要超冷温度（接近绝对零度）才能实现所述物质状态以操纵基本性质的小问题——这需要磁光阱等尖端技术。因此，不要指望叶菲莫夫态很快就会进入您的 iPhone。关于 BEC，正如查德·奥泽尔在 2011 年指出的那样，也可以这样说。
“原子 BEC 系统的主要应用目前是在基础研究领域，并且在可预见的未来可能会继续如此。您有时会听到人们谈论 BEC 作为光刻工具，或类似的东西，但这不太可能成为任何时候真正的商业应用，因为吞吐量太低了。没有人拥有一种以您需要在合理时间内制造有趣设备的速度生成 BEC 的方法。因此，大多数 BEC 应用将仅限于实验室。”
恐怕叶菲莫夫态也是如此。因此，詹-卢克·皮康理解您可能觉得这一切不是很令人兴奋的原因。但这仍然是一项了不起的成就，有时我们需要庆祝这些默默无闻的英雄，他们默默无闻地在阴影中工作，即使他们取得了重大突破。现在是他们进一步提高实验标准并尝试产生三阶叶菲莫夫态的时候了。按照目前的速度，他们应该会在十年内破解这个难题。加油团队！
参考文献:
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