美觀察到原子“自旋對(duì)稱性”的首個(gè)直接證據(jù)

網(wǎng)訊：就像擁有完美對(duì)稱性的鉆石就是大放異彩的寶石一樣，量子世界現(xiàn)在也有了科學(xué)價(jià)值很高的對(duì)稱性體現(xiàn)。美國(guó)實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的理論學(xué)家安娜·瑪麗亞·雷伊和實(shí)驗(yàn)學(xué)者葉軍觀察到了原子的磁性性質(zhì)——原子核自旋存在對(duì)稱性的首個(gè)直接證據(jù)。這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)快訊》上的最新成果極具現(xiàn)實(shí)意義，例如，能讓科學(xué)家模擬并更好地了解表現(xiàn)出超導(dǎo)效應(yīng)（電流無(wú)阻力）或龐磁電阻效應(yīng)（在磁場(chǎng)作用下電流急劇變化）等性質(zhì)的特殊材料。

　　要證明量子對(duì)稱性，需要觀察關(guān)鍵屬性能否在交換、旋轉(zhuǎn)或映像等各種狀態(tài)下保持不變，比如物質(zhì)和反物質(zhì)就表現(xiàn)出了基本的對(duì)稱性。研究人員使用了一個(gè)原子鐘來(lái)探測(cè)自旋對(duì)稱性。“自旋對(duì)稱性可對(duì)材料科學(xué)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的影響，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致量子物質(zhì)出現(xiàn)很多意外的行為。”葉軍說(shuō)，“我們的原子鐘性能非常好，使得我們能夠探究這種在非常小的能量尺度上的相互作用及其基本對(duì)稱性。”

　　據(jù)相關(guān)物理學(xué)家8月22日表示，該原子鐘由被激光囚禁的600到3000個(gè)鍶原子制成，鍶原子擁有10個(gè)合理的角動(dòng)量，而這些會(huì)影響原子磁性行為的角動(dòng)量是隨機(jī)分布的。研究人員分析了兩個(gè)電子能級(jí)上原子的相互作用，也就是原子的碰撞。這兩個(gè)電子能級(jí)受原子核自旋態(tài)的影響，代表了原子鐘的“滴答”。在大多數(shù)原子內(nèi)，電子和核的自旋態(tài)是耦合的，因此原子的碰撞同時(shí)受電子和核的狀態(tài)支配。但JILA的團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)并證實(shí)了，在鍶原子中，這種耦合會(huì)消失，碰撞不由核的自旋態(tài)決定。

　　在原子鐘內(nèi)，所有原子的電子態(tài)都趨同。研究人員使用激光和磁場(chǎng)來(lái)操控核自旋，并觀察到，不論角動(dòng)量是多少，當(dāng)兩個(gè)原子具有不同的核自旋態(tài)，它們會(huì)始終以相同的強(qiáng)度猛烈碰撞；而如果核自旋態(tài)相同，它們的碰撞會(huì)弱得多。

　　“此處的自旋對(duì)稱性意味著，原子的相互作用在其最基本層面上是與核自旋態(tài)無(wú)關(guān)的。”葉軍解釋說(shuō)，“但有趣的是，雖然核自旋并不直接參與電子介導(dǎo)的相互作用過(guò)程，但它仍然控制著原子在物理上如何彼此接近。這意味著，通過(guò)將兩個(gè)原子的核自旋調(diào)整為相同或不同，我們可以控制原子的相互作用。”

　　這項(xiàng)新研究加深了對(duì)JILA此前實(shí)驗(yàn)記錄的原子鐘內(nèi)原子碰撞的理解。正在規(guī)劃的下一步實(shí)驗(yàn)將設(shè)計(jì)特定的自旋條件，以探究一個(gè)大的原子集合的量子動(dòng)力學(xué)。

　　人們對(duì)原子核的探索已有百年歷史，在其組成問(wèn)題得到解決后，研究就轉(zhuǎn)向了對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)而從中了解原子的性質(zhì)。不過(guò)，一些重要的量子力學(xué)性質(zhì)，如“自旋對(duì)稱性”，可以在理論學(xué)家那里得到預(yù)言，但在實(shí)驗(yàn)中找到直接證據(jù)卻很困難。如今的成果正是在試圖解釋原子性質(zhì)并揭示其背后的物理機(jī)制，這需要理論派和實(shí)驗(yàn)派的共同努力——將微觀世界的最深層次還原成一個(gè)盡可能清晰的物理圖像。