本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
在增进我们对物理世界的整体理解方面，超冷量子气体非常有前景。正如著名物理学家理查德·费曼所论证的那样，为了充分理解自然，我们需要量子模拟和计算手段。在过去的30年中，超冷原子系统已被证明是非常出色的量子模拟器。这些系统作为模拟器的应用数量简直是压倒性的，从工程化人工晶体到为量子计算提供新平台，无所不包。在其短暂的历史中，超冷原子实验研究增强了物理学家对各种重要现象的理解。
量子力学的启示之一是，当使用适当的实验测试时，任何物体都可以被视为波（甚至是你！）。这些所谓的物质波的性质取决于它们的温度；在高温下，它们具有较短的波长，看起来和行为都像粒子，因为所有的波峰和波谷都非常接近，以至于无法区分。如果我们将温度降低到远低于绝对温标单位开尔文，物质的波动性就会变得更加明显，波动行为也变得更加重要。那么，一大群表现得像一大群波的极冷原子会发生什么呢？它们可以全部对齐和重叠，形成一个单一的波，这在历史上被称为宏观波函数。这样一个系统——物理学中称为凝聚态——是一种基本的量子物质状态。
量子凝聚态在20世纪20年代中期被理论预测，但直到20世纪90年代后期，实验物理学家才掀起了一场革命（并因此获得了两项诺贝尔奖），他们使用激光和磁铁达到了足够低的温度，使物质能够转变为这些相态。光可以与原子相互作用，从而改变它们的能量。当原子置于不均匀磁场中时，也会受到力的作用。物理学家利用这两种特性来捕获诸如铷之类的原子云，并最终将其温度降低到皮开尔文——绝对零度以上万亿分之一度。值得注意的是，可以达到这些极低温度并工程化量子物质状态的实验，可以在一个普通大小的房间里进行，在一张大桌子上，超冷原子气体通常肉眼可见。宇宙中最冷的地方通常可以在您当地大学校园的房间里找到，并且它们很可能由一名研究生控制。
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但让物理学家兴奋的不仅仅是制造出最冷或最量子的东西；而是超冷原子可以被非常精确地控制和操纵。理论物理学家尤其受到通过移动超冷原子并微调它们相互作用的方式来工程化量子系统的可能性的鼓舞。对于理论家来说，具有某些奇怪或意外特性的新型材料等物理系统是一个令人沮丧的黑匣子，很难用数学方程式来描述。
超冷原子实验可能恰恰相反，它将方程式变为现实，并确定它们是否符合自然规律。许多最小的原型模型，在数学方程式层面进行了广泛研究，但不一定与任何自然发现的材料相匹配，可以在超冷原子实验中进行工程化。自20世纪90年代后期以来，各种物理学家都接受了这个想法，并尽可能地将其推向各个方向。
举一个例子，向超冷原子样品添加反向传播的激光束会创建一个光学晶格，并将系统变成人工晶体。物理晶体必须小心生长，而超冷人工晶体可以通过调整激光束从一种形状变为另一种形状。更具优势的是，这种人工晶体通常非常干净，研究人员可以通过使用更多激光来添加无序性。这意味着他们可以“逆向工程”某些无序效应。如果晶体生长出来然后进行研究，可能很难确定样品中的“污垢”实际上对实验结果有多大影响。如果研究人员可以控制无序性，那么他们就可以非常精确地确定其后果。
从最早的超冷原子实验开始，它们对于研究具有零粘度的流体或超流体就非常重要。普通流体何时变成超流体？类似于声音的东西能否在超流体中传播？如果旋转超流体的容器会发生什么？许多这样的基本问题都已通过超冷原子模拟得到解答。
例如，旋转超流体已被预测会产生涡旋——量子流体的小型飓风——这是宏观波函数基本性质的结果。研究人员正在通过观察和操纵这些涡旋来了解量子湍流，将它们视为更混乱的超流体流的可控构建块。湍流量子流的精确模型在历史上一直让理论家们难以捉摸，这使得超冷原子模拟成为解决这个难题的第一道防线。
与超流体研究一样，人们也做了许多努力来模拟超导体。它们是完美的导体，没有电阻；当电流流过它们时，不会浪费能量。这与用于向企业和家庭供电的所有导体形成对比，因此尝试模拟一种不必非常冷的超导体是一个非常活跃的研究领域。虽然物理学家对“非常冷”的概念可能与口语用法不太一致（物理学行话中的“冷原子”比冰箱里的一品脱冷冰淇淋要冷得多），但即使是几开尔文的差异也可能对超导体在实验室外的应用具有意义。
理论物理学家多年来一直在争论各种高温超导模型，而超冷原子研究一直是检验这些有时相互冲突的理论的主要方法之一。实验物理学家还可以使超冷原子的超流体在称为BEC-BCS跨越的过程中变得有点像超导体。这种跨越已经在半导体和中子星中被理论化，但除了由极冷原子组成的系统外，从未在任何其他系统中得到明确证实。
超导体和超流体都是基本的量子物质相，构成了您在学校可能学到的液态-固态-气态相列表的量子扩展。超冷原子实验继续模拟更多新颖的量子物质相。2019年一个引人注目的例子是量子超固体的模拟。超固体，就像超流体一样，在构成它的原子之间没有任何摩擦力的情况下流动，但同时也具有周期性的晶体状结构，就像固体一样。这是一种看似矛盾的物质状态，其存在性被争论了近50年，之后超冷原子实验才提供了明确的肯定结论。
许多所谓的拓扑物质相也已在超冷系统中实现。其中一些实验模拟并推广了量子霍尔效应，量子霍尔效应最初是在使用半导体的更传统实验中观察到的。由于许多拓扑物质状态的性质不受无序性的影响，因此它们是量子计算非常有希望的设置。通过这种方式，在高度可调的超冷原子系统中实现拓扑模型意味着物理学家不仅能够模拟一种新的物质相，而且可以立即投入使用，从而更接近制造量子计算机。
即使超冷原子系统尚未变成量子计算机器，它们也常常可以在使研究人员了解有关基础物理学的新知识方面“击败”经典超级计算机。一个例子是多体物理学。在量子力学中，一个具有多个相互作用粒子的系统几乎总是一个难以精确计算并因此预测任何东西的系统。然而，真实的材料由数百万个原子组成！
超冷原子系统对于研究高度相互作用的多体系统非常宝贵，揭示了诸如系统无法达到热平衡并且永远不会失去其初始状态“记忆”之类的现象。物理学家经常求助于计算方法和超级计算机来研究这些系统，但是使用超冷原子进行模拟可能是解决其中一些问题的更直接方法。无法达到平衡在统计物理学中非常重要，而超冷原子实验的出现巩固了它作为当代物理学研究中一个非常活跃的领域。
就我个人而言，尽管我接受过更广泛的凝聚态物理学科的培训，但我作为研究生期间的六年时间里，还是反复回到超冷原子领域。我主要研究由超冷原子制成的超流体气泡（空心壳）。这使我接触到美国宇航局科学家的工作，他们将超冷原子实验发射到太空，以探索它将如何受到极低重力的影响。这项实验正在国际空间站上进行，像我这样对实验结果做出预测的理论家们正在焦急地等待新的结果。
在某种程度上，研究空心超冷壳促使我思考太空是很合适的，因为这项研究的部分动机来自中子星。物理学家并不真正知道如果你能观察中子星的内部会发现什么，但是许多理论表明它看起来像一个洋葱，有超导体和超流体的层。那么，在实验室研究超流体壳可能会更好地理解一些位于遥远恒星中的层，科学家可能永远无法直接研究这些层。此外，来自中子星的无线电信号的测量表明，其中的超流体涡旋可能会影响它们的旋转。
超冷原子实验非常擅长精确研究这些涡旋。我花了几年时间研究关于空心超冷原子壳中的涡旋如果整个东西开始旋转会发生什么情况的数学论证。我用关于在他们的实验室中工程化这样一个系统的问题困扰了相当多的实验同事，而事实上，这甚至是我们能够谈论的事情，某种程度上模拟中子星的量子内部结构，对我来说仍然有点像科幻小说。
当我了解到一维超冷原子链中的准周期性时，我最新的超冷痴迷开始了。行话背后的难题很简单：物理学家很清楚原子结构在自然界中如何以规则周期重复的行为，但是如果这个周期是一个无理数，会发生什么呢？这样的系统被称为准周期系统，研究它们导致认知科学家道格拉斯·霍夫施塔特在1976年发现了一个著名的分形图，后来被称为他的蝴蝶。霍夫施塔特的图是自相似的：如果你放大或缩小任何量，它看起来仍然一样。
这个性质意味着具有分数维的物理状态可能存在于自然界中，这一启示引发了寻找更多可能发生这种情况的物理系统的搜索。几年前，另一位研究生向我提到，他们在他们的超冷原子研究实验室中模拟了一个准周期系统，而且，我也一直在追逐霍夫施塔特蝴蝶。为什么自然界如此在意有理数和无理数之间的差异，以至于允许分数维不仅仅是一个数学上的怪癖？超冷原子研究很可能有助于物理学家回答这个问题，我希望能够听到有关它们的答案。
我作为研究人员的经验仅包括现代物理学中超冷原子实验有意义的众多主题中的一小部分。可能性确实数不胜数。量子模拟革命远未结束！研究人员继续突破现有技术的极限，以冷却由更多元素组成的气体并执行更多操作。
下一步是什么？量子化学，分子在超冷温度下形成。超冷量子系统非常庞大，尽管量子力学总是被认为只描述最小的物体，但它们不能被称为微观系统。可以使用超冷系统在台式实验中而不是大型加速器（如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）中测量基本常数。超冷实验，其中可以戳、拨弄、移动和成像单个原子。以及任何其他可以让我们了解我们（量子）世界基本原理的东西。