“除非有一个外星文明现在也正在做这样的实验，否则在任何时间只要这项实验在运行，它就是在制造宇宙中最严寒的费米子。”一项新研究的科学家这样先容他们的成果。
物理学家使用温度约是严寒的星际空间的30亿分之一的原子，打开了一个通往量子磁性的未知范畴的大门。研究已发表在《天然·物理》上。
突破性量子模拟器观察到的复杂磁相关的艺术家畅想图。实验中的模拟器使用了比深空还要冷30亿倍的镱原子。差别颜色代表每个原子的6种大概的自旋态。模拟器使用了多达30万个原子，让物理学家可以大概直接观察粒子在量子磁体中的相互作用，这种复杂性远远超出了最强大的超等盘算机的盘算能力。（图／Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University）
超冷原子的量子特性
费米子并非罕见的粒子，这是一类自旋为半整数的粒子，电子、重子另有许多原子都属于费米子，它们被以为是构玉成部物质的基石。
与电子和光子一样，原子同样受到量子动力学定律的制约，但它们的量子举动只有在被冷却到接近绝对零度的温度时才会显现出来。绝对零度是全部运动都停止的可望不可及的温度。
几十年来，物理学家一直使用激光冷却来研究超冷原子的量子特性。他们可以将原子限制在一个小型真空玻璃或金属盒中，来自激光束的推动会让最具能量的原子释放出一些能量，这就好像对着一杯热茶吹气，从而降低了团体的温度。
努力变得这么冷的“回报”是，物理性质开始改变，它变得更“量子”了，让科学家观察到新的现象。也就是说，用激光冷却原子，并将它们的运动限制在光学格、一维、二维或三维的光通道中，这些光通道就可以作为量子模拟器，来办理传统盘算机无法办理的复杂问题。
探索SU(6)哈伯德模子
在这项研究中，团队使用激光，将费米子（镱原子）冷却在绝对零度以上大约十亿分之一的范围内。这是极低的温度，乃至严寒的、被大爆炸的余辉所温暖的星际空间，都比它要温暖30亿倍。
他们使用光学格来模拟哈伯德模子，这是理论物理学家约翰·哈伯德（John Hubbard）在1963年创建的一个常用的量子模子。
简朴来说，哈伯德模子旨在捕捉最小的成分，从而了解固体质料为何成为金属、绝缘体、磁体或超导体。哈伯德模子常被用来研究质料的磁性和超导举动，特别是那些电子之间的相互作用产生集体举动的质料，它们有点像在拥挤的体育场中演出“人浪”欢呼的体育迷的集体相互作用。
模拟的哈伯德模子具有被称为SU(N)的特别对称性，其中SU代表特别酉群，这是一种描述对称性的数学方法，而N则表示模子中粒子的大概自旋态。N的值越大，模子的对称性和它所描述的磁性举动的复杂性就越高。
镱原子有6种大概的自旋态，研究中的量子模拟器初次展现了SU(6)哈伯德模子中磁相关。他们初次观察到了SU(6)哈伯德模子中的粒子配位。这种配位是短程的，但随着粒子被进一步冷却，更玄妙、更奇特的物质相也会出现。这些奇异相的一个风趣之处是，它们没有明显的模式，但也不是随机的。
实验装置示意图。(a) SU(6)哈伯德系统在三维光学格的各种设置中实现。自旋成分由核自旋投影量子数mI标示。(b) 实验示意图。在预备好均衡状态和冷却全部隧穿过程后，一个自旋相关的势梯度被应用来驱动斯莱特型轨道。随后，每两个相邻的格位点被合并成检测格的单个位点，接着举行光缔结，移除处于反对称自旋态的原子对。（图／Taie, S. et al., 2022）
实验有能力在三维格中捕获多达30万个原子，这种复杂水平是无法在盘算机上举行盘算的。作为对比，纵然是现在最强大的超等盘算机，想要准确盘算SU(6)哈伯德模子中哪怕是十几个粒子的举动，它们也力所不能及。
发展理论工具
实验资助物理学家开始探索SU(N)哈伯德模子的物理学，它提供了一个名贵的机会，通过观察这些复杂的量子系统的运行情况，从而了解它们。这项研究正是朝着这个方向迈出的紧张一步。
由于情况非常复杂，物理学家还没有把握可以大概完全丈量实验中粒子举动的工具。理论学家也正在举行创造相关理论工具的研究。这些系统相当奇特和特别，研究职员盼望通过研究和了解它们，资助确定真实质料中所需的关键成分。
<hr>参考来源：
https://news.rice.edu/news/2022/sun-matter-about-3-billion-times-colder-deep-space
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6
封面图&首图：Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University |
