宇宙中最寒冷的物质

　　＂除非有一个外星文明现在也正在做这样的实验，否则在任何时间只要这项实验在运行，它就是在制造宇宙中 最寒冷的费米子 。＂一项新研究的科学家这样介绍他们的成果。
　　物理学家利用 温度约是寒冷的星际空间的30亿分之一 的原子，打开了一个通往量子磁性的未知领域的大门。研究已发表在《自然·物理》上。
　　突破性量子模拟器观察到的复杂磁相关的艺术家畅想图。实验中的模拟器使用了比深空还要冷30亿倍的镱原子。不同颜色代表每个原子的6种可能的自旋态。模拟器使用了多达30万个原子，让物理学家能够直接观察粒子在量子磁体中的相互作用，这种复杂性远远超出了最强大的超级计算机的计算能力。（图／Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University）
　　超冷原子的量子特性
　　费米子 并非罕见的粒子，这是一类自旋为半整数的粒子，电子 、重子 还有许多原子 都属于费米子，它们被认为是构成所有物质的基石。
　　与电子和光子一样，原子同样受到量子动力学定律的制约，但它们的量子行为只有在被冷却到接近 绝对零度 的温度时才会显现出来。绝对零度是所有运动都停止的可望不可及的温度。
　　几十年来，物理学家一直使用激光冷却来研究超冷原子的量子特性。他们可以将原子限制在一个小型真空玻璃或金属盒中，来自激光束的推动会让最具能量的原子释放出一些能量，这就好像对着一杯热茶吹气，从而降低了整体的温度。
　　努力变得这么冷的＂回报＂是，物理性质开始改变，它变得更＂量子＂了，让科学家观察到新的现象。也就是说，用激光冷却原子，并将它们的运动限制在光学格、一维、二维或三维的光通道中，这些光通道就可以作为量子模拟器，来解决传统计算机无法解决的复杂问题。
　　探索SU(6)哈伯德模型
　　在这项研究中，团队使用激光，将费米子 （镱原子） 冷却在绝对零度以上大约十亿分之一的范围内 。这是极低的温度，甚至寒冷的、被大爆炸的余辉所温暖的星际空间，都比它要温暖30亿倍。
　　他们使用光学格来模拟 哈伯德模型 ，这是理论物理学家约翰·哈伯德 （John Hubbard） 在1963年创建的一个常用的量子模型。
　　简单来说，哈伯德模型旨在捕捉最小的成分，从而了解固体材料为何成为金属、绝缘体、磁体或超导体。哈伯德模型常被用来研究材料的磁性和超导行为，特别是那些电子之间的相互作用产生集体行为的材料，它们有点像在拥挤的体育场中表演＂人浪＂欢呼的体育迷的集体相互作用。
　　模拟的哈伯德模型具有被称为 SU(N) 的特殊对称性，其中SU代表特殊酉群，这是一种描述对称性的数学方法，而N则表示模型中粒子的可能自旋态。N的值越大，模型的对称性和它所描述的磁性行为的复杂性就越高。
　　镱原子有6种可能的自旋态，研究中的量子模拟器首次揭示了SU(6)哈伯德模型中磁相关。他们首次观察到了SU(6)哈伯德模型中的粒子配位。这种配位是短程的，但随着粒子被进一步冷却，更微妙、更奇特的物质相也会出现。这些奇异相的一个有趣之处是，它们没有明显的模式，但也不是随机的。
　　实验装置示意图。(a) SU(6)哈伯德系统在三维光学格的各种配置中实现。自旋成分由核自旋投影量子数mI标示。(b) 实验示意图。在准备好平衡状态和冷却所有隧穿过程后，一个自旋相关的势梯度被应用来驱动斯莱特型轨道。随后，每两个相邻的格位点被合并成检测格的单个位点，接着进行光缔结，移除处于反对称自旋态的原子对。（图／Taie, S. et al., 2022）
　　实验有能力在三维格中捕获多达30万个原子，这种复杂程度是无法在计算机上进行计算的。作为对比，即使是目前最强大的超级计算机，想要准确计算SU(6)哈伯德模型中哪怕是十几个粒子的行为，它们也力所不能及。
　　发展理论工具
　　实验帮助物理学家开始探索SU(N)哈伯德模型的物理学，它提供了一个宝贵的机会，通过观察这些复杂的量子系统的运行情况，从而了解它们。这项研究正是朝着这个方向迈出的重要一步。
　　由于情况非常复杂，物理学家还没有掌握能够完全测量实验中粒子行为的工具。理论学家也正在进行创造相关理论工具的研究。这些系统相当奇特和特殊，研究人员希望通过研究和了解它们，帮助确定真实材料中所需的关键成分。
　　参考来源：
　　https://news.rice.edu/news/2022/sun-matter-about-3-billion-times-colder-deep-space
　　https://www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6
　　封面图&首图：Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University