氣體在量子態和經典態之間轉換行爲有何祕密？

麻省理工大學-哈佛大學超冷原子研究中心的一組研究人員開發了一種方法來研究和測量由於溫度變化而在量子態和經典態之間轉換的氣體。在發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上的論文中，該小組描述了他們用鋰-6原子雲進行的實驗，以及發現。玻爾茲曼氣體是由體積可以忽略的粒子和完全彈性碰撞組成，玻爾茲曼動力學理論很自然地描述了這些粒子。在這樣的氣體中，粒子以隨機的方式運動，並經常發生碰撞。

博科園-科學科普：先前的研究表明，如果玻爾茲曼氣體被充分冷卻，它將經歷一場劇烈的轉變，以至於只能用量子術語來描述。此外，如果組成氣體的粒子是費米子，結果可以用費米液體理論來描述。值得注意的是，這個過程可以朝任何一個方向發展。在這項新研究中，研究人員開發了一種方法來監測和測量氣體在量子態和經典態之間轉變時發生的變化。爲了研究這種轉變，研究人員使用準粒子作爲一種測量費米氣體性質的方法——更具體地說，用一種被稱爲“激光盒”的東西製造了一團鋰-6原子雲。

(a)少數rf光譜的熱演化；(b)少數光譜的2D圖，用白點高亮顯示極大值。圖片：arXiv:1811.00481 [cond-mat.quant-gas]

然後將盒子和盒子裏的東西冷卻下來，並利用射射光譜技術監控盒子裏發生了什麼。然後能夠利用被翻轉的原子數來測量光子能量，再計算氣體的激發態。這使得他們能夠計算準粒子的能量和衰變率。該小組還進行了一項實驗，以測量不同溫度下的準粒子，這使他們能夠看到氣體過渡時實際發生了什麼。隨着溫度的升高，峯值頻譜會損失能量，變得更寬。最終，準粒子失去了它們的特性，在這一點上，費米理論開始展開。就在費米理論適用的點以下，光譜峯值的能量發生了急劇變化，最終降爲零。

該研究研究了具有有限相互作用的高度自旋不平衡均勻費米氣體熱演化，從極化子的費米液體到經典高溫玻爾茲曼氣體。利用射頻光譜技術可以獲得低溫下費米極化子的能量、壽命和短程相關性。在這種情況下，觀察到光譜寬度與T2的特徵關係，與費米液體的準粒子衰變速率相對應。在高T時，譜寬再次向經典幺正玻爾茲曼氣體(- T - 1/2)的散射速率下降。在量子簡併態和經典態之間的過渡區，譜寬在費米能級的尺度上達到最大值，表明準粒子描述的破裂。在諧波阱中，密度測量直接揭示了少數自旋周圍的多數修飾雲，並隨費米極化子的有效質量產生壓縮係數。