在日本京都的一间实验室里，研究人员正在进行一些非常酷的实验。来自京都大学和德克萨斯州休斯顿莱斯大学的科学家团队已将物质冷却到接近 绝对零度（所有运动停止的温度）十亿分之一的温度，使其成为整个宇宙中最冷物质。这项研究发表在 9 月份的《自然物理学》杂志上，并且“为量子磁学的一个未探索领域打开了一扇门”，据莱斯大学称。
“除非有外星文明现在正在进行类似这样的实验，否则京都大学进行这项实验的任何时候，它都在制造宇宙中最冷的费米子，”莱斯大学教授、该研究的通讯理论作者、莱斯量子倡议成员 Kaden Hazzard 在一份新闻稿中说。“费米子并非罕见的粒子。它们包括电子等粒子，是构成所有物质的两种粒子之一。”
由研究作者 Yoshiro Takahashi 领导的京都团队使用激光将 ytterbium 原子的 费米子（或类似质子、中子和电子这样自旋量子数为 1/2 或 3/2 等奇半整数的粒子）冷却到接近绝对零度十亿分之一的温度。这比 星际空间 冷大约 30 亿倍。这片太空区域仍然受到 宇宙微波背景 (CMB) 的加热，这是大约 137 亿年前 大爆炸 的辐射余辉。已知最冷的太空区域是 回旋镖星云，其温度比绝对零度高一度，距离地球 3000 光年。
就像电子和光子一样，原子也遵循 量子动力学定律，但它们的量子行为只有在冷却到接近绝对零度分数度时才会变得明显。激光已被用于 冷却原子超过 25 年，以研究超冷原子的量子特性。
“达到如此低温的好处是物理学真的发生了改变，”Hazzard 说。“物理学开始变得更加量子力学化，这让你能够看到新的现象。”
在这项实验中，激光被用来通过停止 光学晶格 中 300,000 个 ytterbium 原子的运动来冷却物质。它模拟了 1963 年由理论物理学家 John Hubbard 首次提出的量子物理学的 Hubbard 模型。物理学家使用 Hubbard 模型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。
该模型允许原子展示其不寻常的量子特性，包括电子之间的集体行为（有点像一群观众在足球或足球比赛中进行 “波浪式欢呼”）和 超导性，即物体在不损失能量的情况下导电的能力。
“京都使用的温度计是我们理论提供的最重要工具之一，”Hazzard 说。“通过将他们的测量结果与我们的计算进行比较，我们可以确定温度。破纪录的温度是通过一种有趣的新物理学实现的，这种物理学与系统的非常高的对称性有关。”
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在京都模拟的 Hubbard 模型具有称为 SU(N) 的特殊对称性。SU 代表 特殊酉群，这是一种描述对称性的数学方法。N 表示模型中粒子 可能存在的自旋状态。
N 的值越大，模型的对称性就越强，其描述的磁行为就越复杂。Ytterbium 原子有六种可能的自旋状态，京都的模拟器是第一个在 SU(6) Hubbard 模型中揭示磁相关性的。根据这项研究，这些类型的计算是计算机无法计算的。根据该研究。
“这就是做这个实验的真正原因，”Hazzard 说。“因为我们非常想知道这个 SU(N) Hubbard 模型的物理学。”
Hazzard 研究小组的研究生兼论文合著者 Eduardo Ibarra-García-Padilla 补充说，Hubbard 模型旨在捕捉构成固体材料为金属、绝缘体、磁体或超导体所需的基本要素。“实验可以探索的一个引人入胜的问题是对称性的作用，”Ibarra-García-Padilla 说。“能够在实验室中设计它非常了不起。如果我们能理解这一点，它可能会引导我们制造出具有新颖、期望特性的真实材料。”
该团队目前正在开发首批能够测量在绝对零度以上十亿分之一度时出现的行为的工具。
“这些系统相当奇特和特殊，但希望通过研究和理解它们，我们可以确定实际材料中需要存在的关键要素，”Hazzard 总结道。
