物理学家捕捉到两个原子在相互“交谈”

荷兰和德国的一组物理学家最近将一束钛原子放在扫描隧道显微镜下。这些原子通过它们的自旋方向，彼此之间保持着持续的、安静的相互作用。在一项巧妙的壮举中，研究人员能够抓住一对原子，用电流击打其中一个原子，以反转其自旋。然后，他们测量了他的伴侣的反应。

当两个原子具有相互依赖的自旋时，它们被认为是量子纠缠。这种纠缠意味着一个原子的行为对另一个原子有直接的影响，理论上说，即使它们相隔很远，这一点也应该是正确的。

在这种情况下，钛原子之间的距离略大于1纳米（百万分之一毫米），距离足够近，两个粒子可以相互作用，但足够远，研究小组的仪器也可以检测到这种相互作用。

主持该研究的是荷兰代尔夫特理工大学卡夫利纳米科学研究所的量子物理学家桑德·奥特，他表示：“主要发现是，我们已经能够观察到原子自旋在一段时间内的相互作用。”奥特进一步解释说，科学家之前已经能够测量各种原子自旋的强度，以及这种强度对原子能级的影响。但这项实验让他们能够观察到随着时间的推移这种相互作用。

实验物理学的一个很大希望是，有一天研究人员将能够随意模拟量子相互作用，按照他们认为合适的方式调整量子系统，并观察量子力学是如何发挥作用的。

实际上，研究人员在这次研究工作中做到了这一点，在一个原子中触发了特定的动作，并观察了隔壁原子的反应。

加州大学伯克利分校量子物理学家埃拉·拉赫曼没有参与这次研究，但他表示：“这是一个非常简单的‘量子模拟器’的非常好的演示。通过控制原子的位置，理论上我们可以建立一个晶格或任何我们想要研究其动力学的系统的复制品。”

研究小组之所以选择使用钛原子，是因为它们的自旋选择最少（向上或向下）。钛原子被绑在氧化镁表面，将它们固定在适当的位置以供检查。在接近真空的温度下（仅摄氏1度，或零下457.87华氏度）粘在表面上，物理学家可以在显微镜的尖端单独挑选出原子。

然后，他们可以通过用电脉冲击打一对原子中的一个原子来逆转原子的自旋，促使其邻居立即做出反应。物理学家桑德·奥特说，通过量子力学定律，这些反应是可以预测的。(如果你说“敲门”，你可以肯定下一个粒子会回答“谁在那里？”)。整个过程大约用了15纳秒，或者说是十亿分之一秒。

上图：该小组最近实验中使用的显微镜。

当然，还有其他方式可以解读量子世界。

科学家能够通过改变原子的自旋来召唤原子之间的相互作用，但这种相互交流发生得如此之快，以至于像自旋共振技术这样的典型观察手段，无法捕捉到这种相互作用。量子研究人员经常使用微波脉冲来让原子改变状态或以其他方式观察量子力学，但这种电脉冲方法让研究团队能够感知最微小的相互作用；相当于原子对原子的DM。

对此，也有量子物理学家表示，像自旋共振技术这样的方法“太慢了”。你刚刚开始扭动其中一个旋转，另一个就开始旋转了。这样一来，你就永远不能研究把两个自旋放在相反的方向上会发生什么。

量子物理学家桑德·奥特表示，这一系列研究的真正魔力还没有到来。

虽然，这种探测映射了两个原子之间自旋的弹跳，但当你在方程式中加入每个原子时，情况就会变得复杂得多。你可以想象一个电话游戏，参与者既可以传递信息，又可以低声说出信息的来路。来自不同方向的信息将开始交叉，使公报变得混乱。

量子物理学家桑德·奥特还强调了超越简单的双原子系统的挑战。“如果我们增加到20次旋转，我的笔记本电脑再也无法计算出会发生什么。在50次旋转时，世界上最好的超级计算机就会放弃，等等。”奥特说。“如果我们想要精确地理解某些材料的复杂行为是如何产生的（一个很好的例子是超导性），我们必须从零开始‘建造’材料，然后看看当原子从10个增加到100个再增加到1000个时，物理定律是如何发挥作用的。”超导性指的是可以零电阻传输电力的材料，这种材料目前只能在非常冷的温度下才能实现。这就是为什么开发室温超导体是物理学的圣杯。它将彻底改变世界。

但在这些更大的数字上，你开始有一种终极奖励的感觉。研究人员最终可以听到与多个原子来回翻转时的量子对话，而不是只听到一个原子的心与心的交流。当然，我们需要更好的计算机来解决这些难题，但即使是最小的互动也有其自身的重要意义，因为它们可以引发更大的对话。

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