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美观察到原子“自旋对称性”的首个直接证据

2014-08-23 08:49
苏子言岁月
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        就像拥有完美对称性的钻石就是大放异彩的宝石一样,量子世界现在也有了科学价值很高的对称性体现。美国实验天体物理联合研究所(JILA)的理论学家安娜·玛丽亚·雷伊和实验学者叶军观察到了原子的磁性性质——原子核自旋存在对称性的首个直接证据。这项发表在《科学快讯》上的最新成果极具现实意义,例如,能让科学家模拟并更好地了解表现出超导效应(电流无阻力)或庞磁电阻效应(在磁场作用下电流急剧变化)等性质的特殊材料。

  要证明量子对称性,需要观察关键属性能否在交换、旋转或映像等各种状态下保持不变,比如物质和反物质就表现出了基本的对称性。研究人员使用了一个原子钟来探测自旋对称性。“自旋对称性可对材料科学产生非常强烈的影响,因为它会导致量子物质出现很多意外的行为。”叶军说,“我们的原子钟性能非常好,使得我们能够探究这种在非常小的能量尺度上的相互作用及其基本对称性。”

  据相关物理学家8月22日表示,该原子钟由被激光囚禁的600到3000个锶原子制成,锶原子拥有10个合理的角动量,而这些会影响原子磁性行为的角动量是随机分布的。研究人员分析了两个电子能级上原子的相互作用,也就是原子的碰撞。这两个电子能级受原子核自旋态的影响,代表了原子钟的“滴答”。在大多数原子内,电子和核的自旋态是耦合的,因此原子的碰撞同时受电子和核的状态支配。但JILA的团队预测并证实了,在锶原子中,这种耦合会消失,碰撞不由核的自旋态决定。

  在原子钟内,所有原子的电子态都趋同。研究人员使用激光和磁场来操控核自旋,并观察到,不论角动量是多少,当两个原子具有不同的核自旋态,它们会始终以相同的强度猛烈碰撞;而如果核自旋态相同,它们的碰撞会弱得多。

  “此处的自旋对称性意味着,原子的相互作用在其最基本层面上是与核自旋态无关的。”叶军解释说,“但有趣的是,虽然核自旋并不直接参与电子介导的相互作用过程,但它仍然控制着原子在物理上如何彼此接近。这意味着,通过将两个原子的核自旋调整为相同或不同,我们可以控制原子的相互作用。”

  这项新研究加深了对JILA此前实验记录的原子钟内原子碰撞的理解。正在规划的下一步实验将设计特定的自旋条件,以探究一个大的原子集合的量子动力学。

  人们对原子核的探索已有百年历史,在其组成问题得到解决后,研究就转向了对结构的分析,进而从中了解原子的性质。不过,一些重要的量子力学性质,如“自旋对称性”,可以在理论学家那里得到预言,但在实验中找到直接证据却很困难。如今的成果正是在试图解释原子性质并揭示其背后的物理机制,这需要理论派和实验派的共同努力——将微观世界的最深层次还原成一个尽可能清晰的物理图像。
 

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