科学家构建物质新量子态

本文转自：参考消息

参考消息网6月16日报道 据英国《新科学家》周刊网站6月7日报道，一团温度低于绝对零度的原子——奇怪的是，它比任何绝对温度为正的原子云更热——可能是一种神秘的物质新量子态。

英国剑桥大学的卢卡·多尼尼及其同事通过精准操控大量钾原子的能量水平和量子态，将这些原子带入这种看似矛盾的状态。

他说：“量子力学使我们可以这样做，而传统热力学是绝不会允许这种情况发生的。”

在通常情况下，一组快速移动的原子拥有大量动能，其温度也会很高。相反，缓慢移动的原子拥有的动能较少，温度也较低。当所有原子完全静止时，开尔文温标——科学家用来测量温度的温标——就会达到绝对零度，即可能的最低值。

但物理学家还有一个更精准的温度定义，它反映了能量在原子中的分布情况，这个特性与一个系统的熵(即该系统的无序程度)有关。

对一组绝对温度为正的原子来说，只有少数原子拥有大量能量，大多数原子的能量水平较低。在温度为绝对零度时，所有原子的能量都一样处于最低水平。但在绝对温度为负的情况下，能量分布会翻转，能量较高的原子成为多数，而能量较低的原子成为少数。

这就令关于负绝对温度的最大怪事之一出现了——理论上讲，绝对温度为负的物体比所有绝对温度为正的物体要热。这是因为，一个绝对温度为负的物体总是蕴含更多能量。因此，把它与一个绝对温度为正的物体放在一起，会导致热量从前者流向后者。

多尼尼及其同事实现这一异常温度的方式是，把钾原子放入一个真空空间，然后用激光和磁场将其冷却到非常接近绝对零度。这样一来，他们就能控制原子的量子态和能量，并最终使它们进入绝对温度为负的状态。6月5日，在得克萨斯州举行的美国物理学会原子、分子和光学物理年会上，他们介绍了这项实验过程。此类实验最早开展于2013年，但现在研究人员进行了更先进的实验，能够把绝对温度为负的原子排列成三角形和六边形组成的戈薇晶格（Kagome lattice）。

以这种方式排列的原子可以被推入一种量子态。在这种量子态中，原子的所有能量都来自与其他原子的相互作用，但它们没有动能。

研究小组成员、同样来自剑桥大学的乌尔里希·施奈德说，物理学家们不确定这会促使什么样的物质产生，他们现在面临的挑战是，确定这种新量子物质的特性。

施奈德说：“我们正在进入未知领域，不断得到测量结果，但解读它们和了解它们的意义并非小事。”

德国科隆大学的阿希姆·罗施说，以戈薇晶格方式排列的粒子会出现奇异且丰富的量子行为，因为以这种方式排列的粒子会拥有非常特殊的能量，且这种几何结构十分复杂。例如，一些理论家就预计，这些原子可能形成一种以零黏度流动的液体，但考虑到所有原子都没有动能因此不可能移动，与这种设想似乎是矛盾的。

罗施说：“在这种情况下可能发生什么事，存在非常多的可能性。”（编译/潘晓燕）

戈薇晶格式排列（美国麻省理工学院网站）