如果你装瓶气体并尝试使用当今最强大的显微镜成像原子，你将看到的不仅仅是阴影模糊。原子以闪电般的速度拉链，在环境温度下难以固定。

然而，如果这些原子陷入极端温度，它们就会慢慢爬行，科学家们可以开始研究它们如何形成奇异的物质状态，如超流体，超导体和量子磁体。

麻省理工学院的物理学家现在已经将一个钾原子气体冷却到几个纳米骨架 - 只有一个高于绝对零度的头发 - 并将原子捕获在由交叉激光产生的二维光学晶格片内。研究人员使用高分辨率显微镜拍摄了位于晶格中的冷却原子的图像。

通过观察数百个此类图像中原子位置之间的相关性，该团队根据它们在晶格中的位置，观察到各个原子以一些相当特殊的方式相互作用。一些原子表现出“反社会”行为并且彼此远离，而一些原子则以交替的磁性取向聚集在一起。其他人似乎互相捎带，在空的空间或洞旁边创造成对的原子。

该团队认为，这些空间相关性可能会揭示超导行为的起源。超导体是非凡的材料，其中电子配对并且在没有摩擦的情况下行进，这意味着在行程中没有能量损失。如果超导体可以设计成在室温下存在，它们可以为依赖电力的任何东西启动一个全新的，非常高效的时代。

麻省理工学院NSF Ultracold原子中心及其电子研究实验室的物理学和首席研究员Martin Zwierlein表示，他的团队的研究结果和实验设置可以帮助科学家确定诱导超导性的理想条件。

“从这种原子模型中学习，我们可以了解这些超导体的真实情况，以及制造高温超导体应该做些什么，有望接近室温，”Zwierlein说。

Zwierlein及其同事的研究结果发表在“ 科学 ”杂志上。共同作者包括麻省理工学院 - 哈佛大学超级原子中心，麻省理工学院电子研究实验室的实验主义者，以及圣何塞州立大学，俄亥俄州立大学，里约热内卢大学和宾夕法尼亚州立大学的两个理论小组。

“原子作为电子的替身”

今天，即使使用世界上最强大的计算机，也不可能模拟高温超导体的行为，因为电子之间的相互作用非常强。Zwierlein和他的团队寻求设计一种“量子模拟器”，使用气体中的原子作为超导固体中电子的替身。

该小组的理论依据是几个历史的推理路线：首先，1925年奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利制定了现在所谓的泡利不相容原理，该原则指出没有两个电子可能占据相同的量子态 - 如旋转或位置 - 同时。泡利还假设电子保持一定的个人空间领域，被称为“泡利洞”。

他的理论结果解释了元素周期表：电子的不同配置产生特定的元素，使碳原子，例如，不同于氢原子。

意大利物理学家恩里科费米很快意识到，同样的原理不仅可以应用于电子，还可以应用于气体中的原子：原子喜欢保持自身的程度可以定义气体的可压缩性等特性。

“他还意识到这些气体在低温下会以特殊的方式表现，”Zwierlein说。

英国物理学家约翰哈伯德随后将保利的原理纳入了一个现在被称为费米 - 哈伯德模型的理论中，该模型是相互作用原子的最简单模型，跨越晶格跳跃。今天，该模型被认为是解释超导性的基础。虽然理论家已经能够使用该模型来计算超导电子的行为，但他们只能在电子彼此弱相互作用的情况下这样做。

“这就是为什么我们不了解高温超导体的一个重要原因，那里的电子非常强烈地相互作用，”Zwierlein说。“世界上没有经典的计算机可以计算出在极低温度下与电子相互作用会发生什么。它们的空间相关性也从未在原位观察到，因为没有人用显微镜来观察每一个电子。“

打造个人空间

Zwierlein的团队试图设计一个实验来实现具有原子的Fermi-Hubbard模型，希望看到超冷原子的行为类似于高温超导体中的电子行为。

该小组之前已经设计了一个实验方案，首先将原子气体冷却到接近绝对零度，然后将它们捕获在激光产生的晶格的二维平面中。在这样的超冷温度下，原子减速到足以让研究人员第一次在图像中捕获它们，因为它们在晶格上相互作用。

在晶格的边缘，气体更稀释，研究人员观察到原子形成泡利孔，在晶格内保持一定的个人空间。

Zwierlein说：“他们为自己留出了一点空间，在那里不太可能找到第二个人。”

在天然气被压缩的情况下，该团队发现了意想不到的事情：原子更适合拥有近邻，事实上非常紧密。这些原子表现出交替的磁取向。

“这些是美丽的反铁磁相关性，带有棋盘图案 - 向上，向下，向上，向下，”Zwierlein描述道。

同时，发现这些原子经常在彼此之上跳跃，在空格子方块旁边创建一对原子。Zwierlein说，这让人想起高温超导的机制，其中相邻晶格点之间共振的电子对可以在没有摩擦的情况下穿过材料，如果只有适量的空间让它们通过的话。

最后，他表示，该团队的气体实验可以帮助科学家确定固体中超导性的理想条件。

Zwierlein解释说：“对我们来说，这些效应发生在纳米开尔文，因为我们正在使用稀释的原子气体。如果你有一块密集的物质，这些效果可能会在室温下发生。“

目前，该团队已经能够在相当于固体中数百开尔文的气体中实现超冷温度。为了诱导超导性，Zwierlein表示该组织必须将其气体冷却另外五倍左右。

“我们还没有玩过所有的技巧，所以我们认为我们可以变得更冷，”他说。

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