快速冷却以推进量子纳米技术

快速冷却的磁振子粒子证明了一种令人惊讶的有效方法，可以创造一种难以捉摸的物质量子态，称为玻色-爱因斯坦凝聚。这一发现有助于推进量子物理学研究，是朝着室温下量子计算的长期目标迈出的一步。

一个国际科学家团队找到了一种简单的方法来触发一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的不寻常物质状态。最近在《自然纳米技术》杂志上描述的这种新方法有望帮助推进室温下量子计算的研究和开发。

该团队由德国凯泽斯劳滕理工大学 (TUK) 和奥地利维也纳大学的物理学家领导，通过温度的突然变化产生了玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)：首先缓慢加热准粒子，然后快速冷却它们降回室温。他们使用称为磁振子的准粒子演示了该方法，磁振子代表固体的磁激发量子。

“许多研究人员研究了不同类型的 Bose-Einstein 凝聚物，”来自 TUK 的 Burkard Hillebrands 教授说，他是 BEC 领域的领先研究人员之一。“我们开发的新方法应该适用于所有系统。”

令人费解和自发

玻色-爱因斯坦凝聚体是以阿尔伯特·爱因斯坦和 Satyendra Nath Bose 的名字命名的，他们首先提出了它们的存在，是一种令人费解的物质。它们是在量子水平上自发地以相同方式运行的粒子，基本上成为一个实体。玻色-爱因斯坦凝聚体最初用于描述理想的气体粒子，现已建立与原子以及准粒子，如玻色子、声子和磁子。

创建玻色-爱因斯坦凝聚体是一件棘手的事情，因为根据定义，它们必须自发发生。设置合适的条件来产生凝聚意味着不要试图引入任何类型的秩序或连贯性来鼓励粒子以相同的方式表现;粒子必须自己做。

目前，玻色-爱因斯坦凝聚是通过将温度降低到接近绝对零，或在室温下将大量粒子注入小空间而形成的。然而，Hillebrands 及其合作者于 2005 年首次报道的室温方法技术复杂，全球只有少数研究团队拥有所需的设备和专业知识。

新方法要简单得多。它需要一个加热源和一个微小的磁性纳米结构，其尺寸比人类头发的厚度小一百倍。

“我们最近在将磁子结构小型化到纳米级方面取得的进展使我们能够从完全不同的角度解决 BEC，”维也纳大学的 Andrii Chumak 教授说。

纳米结构被缓慢加热到 200°C 以产生声子，声子又产生相同温度的磁振子。关闭加热源，纳米结构在大约一纳秒内迅速冷却至室温。当这种情况发生时，声子逃逸到基底，但磁子反应太慢，并留在磁性纳米结构内。

Michael Schneider，主要论文作者和博士。TUK'S磁性研究小组的学生解释了为什么会发生这种情况：“当声子逃逸时，磁子想要减少能量以保持平衡。由于它们无法减少粒子数量，因此必须以其他方式减少能量。所以，他们都跳到了同样的低能量水平。”

通过自发地占据相同的能级，磁振子形成玻色-爱因斯坦凝聚。

“我们从未在系统中引入相干性，”丘马克说，“所以这是一种非常纯净和清晰的方法来创建玻色-爱因斯坦凝聚。”

意想不到的结果

正如科学中经常发生的情况一样，该团队非常偶然地发现了这一发现。当奇怪的事情开始发生时，他们开始研究纳米电路的不同方面。

“起初我们认为我们的实验或数据分析确实有问题，”施耐德说。

在与 TUK 和的合作者讨论该项目后，他们调整了一些实验参数，看看这个奇怪的东西是否真的是玻色-爱因斯坦凝聚。他们用光谱技术验证了它的存在。

这一发现将主要引起研究这种物质状态的其他物理学家的兴趣。“但是在室温下以宏观量子态的形式揭示有关磁振子及其行为的信息可能会对开发使用磁振子作为数据载体的计算机产生影响，”Hillebrands 说。