科学家首次在实验中观测到原子游离和双原子堆叠

原子相互作用的研究将为实现室温超导铺平道路。

用分辨率最高的显微镜观察封闭在一个瓶子中的气体分子，你只会看到一片模糊——室温下，原子们的运动速度堪比光速，你不可能看清它们。

然而，在超低温下，这些原子的运动速度会大大变慢。此时，科学家就可以研究物质如何展现出奇妙的特性，比如超流体现象、超导现象和量子磁体现象。

麻省理工学院（MIT）的物理学家近日将钾蒸汽冷却到几个纳开尔文（即比绝对零度只高几个十亿分之一度）的极低温，将其中的钾原子约束在由纵横交错的激光束构成的网格中。然后，利用高分辨率显微镜，科学家拍下了数百张钾原子的图像。

科学家分析这些图像中钾原子的位置时发现，由于所在网格位置的不同，钾原子居然体现出了不同的“性格”。一些钾原子显得不太喜欢“社交”，它们周围的大片区域没有其他原子；而其他一些彼此相邻的钾原子比较合群，当施加外界磁场时，这些钾原子以相同的方式响应；还有一些钾原子喜欢成双成对，每个钾原子都和其他另一个钾原子组成原子对，这些原子对的临近网格通常没有其他原子。

研究团队认为，原子行为的空间相关性为解释超导现象提供了思路。超导材料中，电子组成电子对，然后不受任何阻碍地运动，因此不用为克服障碍消耗任何能量。如果能够在室温下实现超导，那么超导这种无损输电方式，能够将电气领域带入一个全新的超高效纪元。

麻省理工物理学教授马丁·斯维尔林（Martin Zwierlein）主持了这项研究，他在麻省理工国家自然科学基金超冷原子研究中心电子学研究室承担项目负责人一职。

据他表示，钾原子实验有助于科学家确定超导现象发生的确切物理条件，并根据这些物理条件，设法提高超导现象发生的温度，最终有望实现室温超导。

斯维尔林团队的论文于9月16日发表于《Science》杂志。其他合作单位包括麻省理工-哈佛超冷原子中心、麻省理工电子学实验室、圣何塞州立大学的两支理论研究团队、俄亥俄州立大学、宾夕法尼亚州立大学和巴西里约热内卢大学。

让原子充当电子的马夹

因为电子之间的联系太过于复杂，一个电子的状态变化会影响其他大量电子的状态，因此即使动用目前最强大的超级计算机，也无法对高温超导现象进行模拟和研究。

基于这种情况，斯维尔林团队设计了一种被称为“量子模拟”的替代实验，使用呈气态的钾原子模拟超导材料中的电子。

1925年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）建立了泡利不相容原理，该原理禁止两个电子占据一个相同的量子态，即这两个电子在同一时刻不能占据同一个空间位置或表现出相同的自旋方向。泡利还认为，电子有排他性的“个人空间”，后人称之为“泡利空穴”

泡利理论解释了元素周期表：核外电子的不同特性，使得各种元素的原子表现出不同的特性。

意大利物理学家恩里克·费米（Enrico Fermi）很快意识到，泡利理论不仅适用于原子核中的电子，还适用于气体中的原子：气体中的原子的也有维持“泡利空穴”的特性，这种特性决定了气体的可压缩性等物理特性。

“费米同时还意识到，气体在超低温下会表现出于常温态截然不同的特性。”斯维尔林说道。

英国物理学家约翰·哈伯德（John Hubbard）将泡利理论扩展为费米-哈伯德模型，这是描述原子间相互作用的最简单模型。如今，费米-哈伯德模型被用来解释超导现象。

尽管理论上可以用该模型计算超导材料中的电子运动，但是这只有在电子之间的相互作用很弱，即某个电子的状态很少受其他电子影响时，才能取得较好的结果。

然而，在高温超导材料中，电子间相互作用非常强烈，这使得分析其物理机制非常困难。经典计算机不可能有足够的计算能力来求解电子之间的相互作用。此外，之前也没有任何实验能对电子间相互作用进行实际观察，因为目前还没有能直接看到单个电子的显微镜。

努力营造个人空间的原子

斯维尔林团队设计了原子版的费米-哈伯德实验，意图直接观察超冷原子的特性，并以此模拟高温超导材料中原子的特性。

实验团队之前设计了一个实验，该实验将气体原子冷却到极低温，然后用二维纵横激光束组成的网格将这些原子约束。在极低温下，原子运动得足够慢，以至于科学家可以为他们拍照。这在之前是做不到的。此外，激光束网格也是根据费米-哈伯德模型设计的，因此观察的数据可以直接进行理论分析。

在气体团的边缘，原子比较稀疏。科学家发现，这里的每个原子都打造了自己的“泡利空穴”，在自己周围形成一片没有其他原子存在的区域。

当气体团的原子密度变高时，科学家发现了一些之前没有预料到的现象：原子更愿意让其他原子进入自己的私密范围。具体来说，原子表现出反铁磁性相互作用，它们的磁矩呈“上-下-上-下-……”非常规则的排列，就像国际象棋的棋盘。

科学家们同时还发现，这些原子不时地跳进另外一个原子所在的激光约束网格壁，形成一个原子对和一个网格空穴。高温超导材料中的电子也会表现出这种现象：相邻网格中的电子会形成电子对，该电子对发生共振后，其中一个电子能越过网格壁的阻碍跳进另一个电子所在的网格，只要那个网格还有足够的空间。

斯威特林表示，对这种“走穴”现象的研究，有助于科学家确定超导现象发生的适宜条件。更重要的是，根据理论分析，如果这次实验的不是原子密度极低的气体，而是原子密度更大的其他物质，那么“走穴”有可能发生在室温。

目前，该实验中超冷状态下的气体原子的行为特性，等价于数百开尔文温度下的固体原子的行为特性。而为了研究室温超导，斯威特林团队将会再把气体的温度降低到现在的1/5或更低。