量子氣體

量子氣體，一個以德國科學家為主的歐洲研究團隊在微重力下的量子氣體（QUANTUS）項目上取得重要進展，他們成功開發出一種儀器，其可在失重條件下產生玻色—愛因斯坦凝聚態。科學家希望藉助這種零重力下的超低溫量子氣體研製原子干涉儀等高精密測量儀器，以用於測量地球的重力場，同時解決物理學領域的一些基礎問題。

物質波干涉開闢了計量學和基礎物理學領域精確測量的全新辦法。一個充滿希望的干涉源就是玻色—愛因斯坦凝聚。玻色—愛因斯坦凝聚態是原子在冷卻到絕對零度左右時所呈現出的一種氣態的、超流性的物態。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，原子因此失去其獨立的身份，可以用一個波函數來描述。這種物質狀態顯示出和激光巨大的相似性。將玻色—愛因斯坦凝聚體中的原子相干耦合輸出，就可得到一種性能全新的相干物質波源——原子激光。這種原子激光是將來提高原子干涉儀靈敏度和準確性的關鍵。

由德國漢諾威大學領導的QUANTUS項目組成功研發出一種新儀器，其外形是一個與門差不多高和寬的圓柱體，內部安裝有原子晶元、螺線管、激光器和攝像頭。該設備已在不來梅應用空間技術和微重力中心（ZARM）146米的下降塔中得到應用，並在失重條件下成功獲得了玻色—愛因斯坦凝聚態。

在不來梅下降塔的自由下落實驗中，科學家在原子晶元上創造了一個數毫米大的宏觀波包，並且觀察其演變超過1秒。歸功於類似激光的特性，科學家們藉助光診斷的方法確認這個物質波包中超過10000個原子是不確定的（即處於玻色—愛因斯坦凝聚態）。研究小組在不來梅下降塔進行投放試驗超過180次，是目前為止最複雜和最穩定的試驗。這些試驗結果為未來利用原子干涉觀察量子物質演變以及將其作為慣性感測器的研究奠定了基礎。

未來原子干涉儀的應用範圍將從地球重力場測量的跨學科應用延伸至弱等效原則的量子試驗。弱等效原則是廣義相對論的理論基石。與組成無關的物質波以同樣的方式在重力場中下降需要弱等效原則。等效原則試驗或許有助於將量子力學和廣義相對論統一到一個共同的理論里。因此，這個量子物質等效原則試驗是利用玻色—愛因斯坦凝聚態驗證愛因斯坦相對論的一個令人鼓舞的做法。

2021年8月，奧地利和德國科學家合作，首次在偶極量子氣體中實現二維超固體。相關研究成果發表在《自然》雜誌上，為進一步研究這種非凡的物質狀態開創了新的機會。