量子磁体冷到极致

来源：中国科学报

作者：徐锐

镱原子被用来制造冷磁体。（图片来源：Carlos Clarivan）

近日，《自然—物理学》报道了一种新的量子磁体，它由比绝对零度仅高十亿分之一度的原子组成。物理学家尚不确定它的表现如何。

通常磁体排斥或吸引磁性物体，取决于其内部的电子是处于“向上”还是“向下”的量子自旋状态，这种属性类似于将南北极沿特定方向排列。然而，这并不是制造磁体的唯一要素。

美国莱斯大学的Kaden Hazzard和同事利用镱原子制造了一种基于自旋性质的磁体，这种磁体有6种选择，而每种选择都有一种颜色。

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研究人员将原子限制在一个小金属玻璃盒的真空腔体中，然后用激光束冷却它们。激光束使最具能量的原子释放出一些能量，从而降低整体温度。这类似于吹凉一杯热茶。

他们还使用激光改变原子排列结构以产生磁体，其中有些是线性的，像金属丝，还有一些像二维薄片或三维晶体。

排列成直线和薄片的原子构成的磁体温度约1.2纳开尔文，这大约是星际空间温度的二十多亿分之一。而三维排列原子构成的磁体的情况则非常复杂，研究人员仍在寻找测量其温度的最佳方法。

Hazzard说，实验中采用的原子属于费米子家族，并且是“宇宙中最冷的费米子”。

物理学家一直对原子在这种奇异磁体中的相互作用感兴趣，因为他们怀疑类似的相互作用也发生在可以完美导电的高温超导体中。通过更好地理解这种相互作用，有望制造出更好的超导体。

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研究合著者Eduardo Ibarra García-Padilla指出，他们虽然在实验中对这种磁体进行了最佳理论计算，但一次仍然只能预测数千个原子中组成线和片结构的8个原子的颜色。

科罗拉多大学波尔德分校的Victor Gurarie表示，实验温度一旦足够低，原子便开始“关注”邻居的量子色态，这一特性不会影响它们在高温时的相互作用。他说，由于计算非常困难，未来类似的实验可能是研究这些量子磁体的唯一方法。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01725-6