密度波的图示。Credit: Harald Ritsch，因斯布鲁克大学/EPFL。

EPFL的科学家们发现了一种新方法，可以在原子气体中产生一种被称为“密度波”的晶体结构。这些发现可以帮助我们更好地理解量子物质的行为，量子物质是物理学中最复杂的问题之一。这项研究发表在5月24日的《自然》杂志上。

EPFL的Jean-Philippe Brantut教授说:“冷原子气体在过去以‘编程’原子之间相互作用的能力而闻名。”“我们的实验加倍了这种能力。”他们与因斯布鲁克大学赫尔穆特·里奇(Helmut Ritsch)教授的团队合作，取得了一项突破，不仅可以影响量子研究，还可以影响未来的量子技术。

密度波

长期以来，科学家们一直对材料如何自组织成复杂结构(如晶体)感兴趣。在量子物理学的神秘世界里，这种粒子的自组织可以在“密度波”中看到，在密度波中，粒子将自己排列成一个规则的、重复的模式或顺序;就像一群穿着不同颜色衬衫的人站在一条线上，但是没有两个穿着相同颜色衬衫的人站在一起。

密度波可以在各种材料中观察到，包括金属、绝缘体和超导体。然而，研究它们一直很困难，特别是当这种顺序(波中粒子的模式)与其他类型的组织一起出现时，比如超流动性——一种允许粒子无阻力流动的特性。

值得注意的是，超流动性不仅仅是一种理论上的好奇心;它对于开发具有独特性能的材料具有巨大的兴趣，例如高温超导性，这可能导致更有效的能量转移和存储，或者用于构建量子计算机。

用光调谐费米气体

为了探索这种相互作用，Brantut和他的同事们创造了一种“单一费米气体”，这是一种由锂原子冷却到极低温度的稀薄气体，原子之间经常发生碰撞。

然后，研究人员将这种气体放入光学腔中，这是一种用于将光长时间限制在一个小空间内的装置。光学腔是由两个相对的镜子组成的，它们将入射光在它们之间来回反射数千次，使光粒子，光子，在腔内聚集。

在这项研究中，研究人员利用空腔使费米气体中的粒子在远距离上相互作用:第一个原子会发射一个光子，这个光子反弹到镜子上，然后被第二个气体原子重新吸收，不管它离第一个原子有多远。当足够多的光子被发射和再吸收(在实验中很容易调整)时，原子就会集体组织成密度波模式。

“原子在费米气体中直接相互碰撞，同时长距离交换光子的组合，是一种新型物质，其中相互作用是极端的，”Brantut说。“我们希望我们将在那里看到的东西能提高我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。”

其他贡献者包括EPFL量子科学与工程中心。

更多信息:Jean-Phillipe Brantut，具有光子介导相互作用的单一费米气体的密度波排序，Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06018 - 3。www.nature.com/articles/s41586 - 023 - 06018 - 3

期刊信息:Nature