冷原子
關注創建者：Lo0k,im.FinE! 創建時間：2017-01-18
冷原子的實例教程
據英國《自然》雜志官網5月8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室將于5月20日發射升空，進入國際空間站。屆時，它將成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員將用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，如在太空制造“泡泡”“環”和“漩渦”等，從而以前所未有的方式“玩轉”量子力學。
研究人員指出，這可能促使科學家發現新物理學，推進前沿物理學的發展。
宇宙間最冷之地：量子力學的“樂園”
該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標是制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨特“超流體”物質態，供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。
BEC是數十萬個原子組成的云，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：“能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。”
在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內就會讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應該能“存活”至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。
奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標準與技術研究院（NIST）原子物理學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC將“推動前沿基礎物理領域的研究，15年來，科學家一直期盼會產生新的物理學。”
麻雀雖小五臟俱全：工具包大小的實驗設備
國際空間站可謂“寸土寸金”，所以工程師不得不壓縮原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子內。
展開 在此，來自中國科學技術大學的陳帥&潘建偉，北京大學劉雄軍等研究者，報道了通過設計三維自旋-軌道耦合，在超冷原子上實現IWSM帶的實驗結果。相關論文以題為“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”發表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271
在外爾半金屬中，價帶和導帶在節點處相遇，在節點處準粒子，具有外爾哈密頓量和線性色散。一個外爾節點對應一個拓撲單極子，其電荷等于包圍該節點的金屬費米表面的Chern數；這個電荷決定了；結點處外爾費米子的手性。根據Nielsen-Ninomiyano-go定理，外爾節點成對出現，每一對中的兩個節點具有相反的手性，因此，半金屬中外爾節點的最小數目是2。只有兩個外爾節點的半金屬是理想外爾半金屬(IWSM)，是外爾半金屬族中最基本的相。
因為IWSM中的兩個節點，不能簡單地分開，所以IWSM產生的任何交互相都是非平庸的。因此，IWSMs可以存在非相互作用的外爾物理現象，如手性異常，以及多體現象，如時空超對稱性和非-阿貝爾手性馬約拉納模式，這些現象在具有較多外爾點的相互作用的外爾半金屬中，可能并不受歡迎。盡管各種各樣的外爾和類似外爾的相已經被廣泛報道，包括II型外爾半金屬、三簡并半金屬和磁性外爾半金屬，但對IWSMs的直接觀察仍然很困難。
同時，各種拓撲模型的實現，一直是利用超冷原子進行量子模擬的積極追求。尤其是，具有合成自旋軌道(SO)相互作用的超冷量子氣體，為研究奇異拓撲現象，提供了原始平臺。
展開 科學家們表示：“這些研究結果讓我們對在太空中開展冷原子實驗有了更好的認識，如開展精密干涉測量等。它們可幫助我們能夠進一步縮小冷原子實驗規模，還可幫我們明確以光子為基礎的量子信息概念、運用到以衛星為基礎的具體實踐當中。此外，在太空中制造的玻色-愛因斯坦凝聚物還讓我們看到了在低重力條件下開展量子氣體實驗的可能性。”
來源：science科學
國內外多個實驗室開展了Hg+微波鐘的研究工作，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)在美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的大力支持下，于1989年開發出線形阱Hg+鐘[39]，經過一系列研發項目推進，實驗室環境下頻率穩定度能夠達到漂移率達到2.7×10-17/d；從2011年開始，在深空原子鐘項目的推動下，JPL開始星載汞離子鐘的研發，并于2019年6月發射，通過在軌性能評估表明23天的穩定度達到3×10-15，漂移率達到3×10-16/d，比目前應用的星載原子鐘精度提高1個量級以上，有望應用于下一代衛星導航系統[39]。
小型化銫/銣噴泉鐘和積分球冷原子鐘是兩種比較成熟的冷原子微波鐘方案。如前所述，ESA在ACES項目中發展了較小型的激光冷卻銫噴泉鐘(PHARAO)[13]，其地面測試穩定度指標達到預計在空間微重力環境下的穩定度指標可達中國科學院上海光學精密機械研究所(上海光機所)研制的銣噴泉冷原子鐘已在天宮二號空間實驗室完成了搭載實驗，評估其穩定度指標可達相較于小型化銫/銣噴泉鐘，積分球冷原子鐘具有結構緊湊、質量較小的特點。積分球冷原子鐘是一種使用漫反射激光冷卻和分離振蕩場技術的小型化冷原子鐘。該方案是我國王育竹院士于1979年首次提出的，上海光機所于2008年首次在積分球內冷卻了銣原子，隨后開展了一系列研究工作，目前冷銣原子積分球鐘已完成樣機研制，短期頻率穩定度優于長期頻率穩定度優于3×10-15/d[41]，且正在開展進一步的性能優化[42-43]。法國天文臺也采用積分球冷卻技術先后研制了HORACE和MuClock兩代緊湊型冷原子微波鐘。
展開 主要面向微重力科學研究
“夢天”實驗艙主要面向微重力科學研究，上面裝有超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學實驗柜、兩相系統實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學實驗柜、在線維修裝調實驗柜等7個方面的8個科學實驗柜（其中高精度時頻實驗柜由2個艙內科學實驗柜和4臺艙外設備組成一個完整的實驗系統），支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究等。
超冷原子物理實驗柜主要是利用空間微重力環境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態工作物質的開放實驗系統，開展前沿基礎物理研究，是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺。
高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統通過艙內不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統。
高溫材料科學實驗柜是可以在空間站微重力環境下進行材料制備、加工、原位檢測、實時觀察和診斷于一體的新型實驗裝置，裝置的最高工作溫度、溫度穩定度、樣品數量、實時觀察成像技術等均處于國際領先水平。
兩相系統實驗柜主要是支持開展空間蒸發與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與回路系統、空間流體控制等關鍵科學問題與技術應用研究。
流體物理實驗柜主要是支持開展空間微重力環境中流體的宏觀、微觀運動，擴散過程的基本規律研究，超越了“國際空間站”3個已有的專用流體實驗柜形成的綜合測試手段和能力，將成為國際上技術最完備、設備最先進的空間流體物理實驗平臺。
燃燒科學實驗柜是能夠支持在軌開展微重力燃燒基礎科學研究的一套科學實驗系統，對于完善燃燒基礎理論、發展先進燃燒技術有著重要意義。
在線維修裝調實驗柜主要是支持艙內科學實驗與技術試驗的精細機械操作、結構和電子學裝配、機構潤滑等操作及試驗驗證，并支持開展空間機器人和遙科學技術試驗。
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冷原子的最新內容
即無法在不破壞原來未知態的情況下對之
玻色-愛因斯坦凝聚態
Bose-Einstein Condensate
玻色-愛因斯坦凝聚態是超冷原子云，華盛頓州立大學的研究員彼得·恩格斯（Peter Engels）解釋說：“這一大原子團的行為不像桶中的一堆球。它的行為就像一個大的超級原子。因此，它放大了量子力學的作用。”
超冷原子物理實驗柜主要是利用空間微重力環境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態工作物質的開放實驗系統，開展前沿基礎物理研究，是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺。
高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統通過艙內不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統。
法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的。它們非常細致，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中。這個觀念，把人們引向“熱質說”。
波義耳也動搖于熱的運動說和熱質說之間。在考察放在真空容器中的一塊熾熱的鐵可以使器壁感受到熱的現象時，他認為這似乎只能用“熱”自己傳過來加以解釋。
小型化銫/銣噴泉鐘和積分球冷原子鐘是兩種比較成熟的冷原子微波鐘方案。
在超冷原子實驗中，必要的相互作用可調諧性是通過費什巴赫共振實現的；這使得該領域取得了許多令人印象深刻的進展，包括超冷分子的制備和BEC(玻色-愛因斯坦凝聚態)到BCS(巴爾丁-庫珀-施里弗態)轉變的觀察。由于其豐富的內能級結構，在外加磁場作用下，兩個總自旋為S的給定內態制備的冷原子可以與兩個S’≠S的束縛分子態發生共振。
講師：
嚴密博士（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
嚴密博士
（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
講師：
嚴密博士（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
同時，各種拓撲模型的實現，一直是利用超冷原子進行量子模擬的積極追求。尤其是，具有合成自旋軌道(SO)相互作用的超冷量子氣體，為研究奇異拓撲現象，提供了原始平臺。SO在不同維度合成的相互作用，有不同的特征。
這一研究表明，過冷液體中原子的動力學異常輸運方式與多空間尺度和具有非局域性質的結構序參量直接相關，從而建立了結構與復雜液體的動力學行為的關聯，為研究金屬玻璃所展現出的優良力學性質提供了新的思路和認識角度。
徐莉梅課題組博士后武振偉（現就職于北京師范大學系統科學學院）為論文第一作者。徐莉梅、法國Montpellier大學Walter Kob教授和武振偉為論文共同通訊作者。
