奇异量子“爱丽丝环”首次造出，为探索宇宙学理论提供前所未有的机会

爱丽丝环的艺术照。图片来源：阿尔托大学

科技日报记者 刘霞

芬兰科学家通过操纵数十万个极冷原子，首次制造出了名为爱丽丝环的奇特量子物体。这是一个环状拓扑缺陷物体，它可改变穿过或透视它的量子物体的性质。这一突破为探索宇宙学或高能物理学领域的一些理论开辟了前所未有的机会。相关论文发表于29日出版的《自然·通讯》杂志。

从理论上讲，包括极冷原子的集合，甚至整个宇宙在内的量子系统，应该包含被称为拓扑缺陷的奇特物体，不过，这样的缺陷很难制造并观察。但芬兰阿尔托大学研究人员找到了解决办法。

他们首先将25万个铷原子放入一个真空室内，然后用激光照射它们，以减慢其运动速度，并将其温度降低到接近绝对零度。在此情况下，所有铷原子表现得像一个大的量子物体。由于拥有自旋这一量子特性，这个量子物体对磁场很敏感。随后，研究团队确定了正确磁场的方向和强度，以扭曲原子。

研究人员表示，这种方法以前曾被用来制造名为磁单极子的缺陷，这种粒子类似只拥有单极的磁体。在最新实验中，研究人员发现，几毫秒后，他们创造出的每个磁单极子都扩展成一个拥有非常奇特性质的爱丽丝环。

这个爱丽丝环有一个特点：通过环或从环的侧面看附近的磁单极子，同一个磁单极子的电荷看起来会有不同。所以，这个爱丽丝环会反转所看到的物体的电荷。计算机模拟显示，如果磁单极子穿过爱丽丝环，其电荷将完全反转，比如从正变为负。

研究团队计划接下来创造出一个磁单极子和一个爱丽丝环，并让其中一个穿过另一个，直接测试爱丽丝环的功能。

物理学家透过众所周知的镜子观察，另一边的原子属于一个对立的世界。研究人员首次制造了一种称为爱丽丝环的奇特量子物体，当其他量子物体穿过它时，或者只是通过它观察时，它会改变其他量子物体的属性。

量子系统——比如非常冷的原子的集合，甚至我们的整个宇宙——理论上应该包含称为拓扑缺陷的奇怪物体。有些像长绳，有些则更奇怪：零维点，在其中心，诸如磁场之类的东西在数学上无法描述。

此类缺陷很难产生和观察。但芬兰阿尔托大学的Mikko Möttönen和他的同事们已经找到了如何创建一种拓扑缺陷并迅速转变为另一种缺陷的方法。

为此，他们首先将250,000个铷原子放入一个没有空气的小室中，然后用激光照射它们以减慢它们的自然运动并将它们推至接近绝对零的温度。在这些条件下，所有原子都表现为一个大的量子物体。由于一种称为自旋的量子特性，该物体对磁场敏感。

研究人员说，该团队使用计算机模拟和数学模型来确定如何确定磁场的方向和强度，以便扭曲原子，直到出现拓扑缺陷。这种方法以前曾被用来制造被称为单极的缺陷，即类似于具有单极的磁体的粒子。

如今，研究人员还观察了单极子的命运：几毫秒后，他们创建的每个单极子都膨胀成具有一个非常奇怪的特性的爱丽丝环。

研究人员说，这枚爱丽丝戒指有一个特点。根据您是通过环还是从环的侧面观察附近的单极子，它的电荷看起来会有所不同。因此，环正在反转你所看到的物体的电荷。计算机模拟进一步表明，如果单极子穿过爱丽丝环，它的电荷就会完全翻转——例如从正电荷变为负电荷。

研究团队此前曾使用这种方法在超冷原子中制造拓扑缺陷，包括结状结构和称为斯格明子的特殊漩涡。研究人员表示，他们关注的下一个挑战不仅是创造一个单极子和一个爱丽丝环，而且要让其中一个穿过另一个，直接测试其类似镜子的功能。

英国兰卡斯特大学的Janne Ruostekoski表示，研究人员开发的方法是独特的，甚至可以使抽象数学定理可视化。例如，它可以为科学家提供一种研究所谓的“毛球定理”的方法，该定理决定了拓扑缺陷周围场的纹理。这为探索宇宙学或高能物理学中“以前没有实验证据”的理论开辟了“前所未有的机会”。

（来源：科技日报）