宇宙中最寒冷的物质

" 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寒冷的费米子。" 一项新研究的科学家这样介绍他们的成果。

物理学家利用温度约是寒冷的星际空间的 30 亿分之一的原子，打开了一个通往量子磁性的未知领域的大门。研究已发表在《自然 · 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。不同颜色代表每个原子的 6 种可能的自旋态。模拟器使用了多达 30 万个原子，让物理学家能够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级计算机的计算能力。（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、重子还有许多原子都属于费米子，它们被认为是构成所有物质的基石。

与电子和光子一样，原子同样受到量子动力学定律的制约，但它们的量子行为只有在被冷却到接近绝对零度的温度时才会显现出来。绝对零度是所有运动都停止的可望不可即的温度。

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，从而降低了整体的温度。

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，来解决传统计算机无法解决的复杂问题。

探索 SU ( 6 ) 哈伯德模型

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，甚至寒冷的、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型，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型。

简单来说，哈伯德模型旨在捕捉最小的成分，从而了解固体材料为何成为金属、绝缘体、磁体或超导体。哈伯德模型常被用来研究材料的磁性和超导行为，特别是那些电子之间的相互作用产生集体行为的材料，它们有点像在拥挤的体育场中表演 " 人浪 " 欢呼的体育迷的集体相互作用。

模拟的哈伯德模型具有被称为SU ( N ) 的特殊对称性，其中 SU 代表特殊酉群，这是一种描述对称性的数学方法，而 N 则表示模型中粒子的可能自旋态。N 的值越大，模型的对称性和它所描述的磁性行为的复杂性就越高。

镱原子有 6 种可能的自旋态，研究中的量子模拟器首次揭示了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中磁相关。他们首次观察到了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中的粒子配位。这种配位是短程的，但随着粒子被进一步冷却，更微妙、更奇特的物质相也会出现。这些奇异相的一个有趣之处是，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配置中实现。自旋成分由核自旋投影量子数 mI 标示。 ( b ) 实验示意图。在准备好平衡状态和冷却所有隧穿过程后，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，接着进行光缔结，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，这种复杂程度是无法在计算机上进行计算的。作为对比，即使是目前最强大的超级计算机，想要准确计算 SU ( 6 ) 哈伯德模型中哪怕是十几个粒子的行为，它们也力所不能及。

发展理论工具

实验帮助物理学家开始探索 SU ( N ) 哈伯德模型的物理学，它提供了一个宝贵的机会，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重要一步。

由于情况非常复杂，物理学家还没有掌握能够完全测量实验中粒子行为的工具。理论学家也正在进行创造相关理论工具的研究。这些系统相当奇特和特殊，研究人员希望通过研究和了解它们，帮助确定真实材料中所需的关键成分。