原子鐘可模擬研究磁體內部電子的量子行為

世界上最精準的計時器原子鐘又添了一個新功能：科學家可將它用作量子模擬器，來研究磁體內部電子的量子行為，以更深入地了解量子世界的奧秘。

物理學中有許多難以解答的問題，因為它們的基本行為受錯綜復雜的量子力學規則支配，比如電子之間的量子相互作用產生的磁性，就很難進行計算機模擬。美國天體物理聯合實驗室的理論家安娜·瑪麗亞·雷伊和她的研究團隊，在實驗中偶然發現了一種可以在高出幾個量級的溫度條件下模擬量子行為的方法——利用原子鐘。

原子鐘是通過一組原子在兩個不同能級之間的躍遷來計時的。該研究小組原本只是研究鍶原子鐘。當激光將能量泵入時，鍶原子就會以一定的頻率在基態和激發態之間振蕩，也就是原子鐘計時的“節拍”。為了增強原子鐘的信號，研究人員嘗試著增加原子的數量，但這反而降低了計時的精度，因為原子間的相互作用有時候會改變能量躍遷的“鐘擺”節律。

從數學角度來說，這些原子的行為很像磁性材料中的電子的表現。電子有自旋特性，可以直觀地用箭頭朝上（自旋向上）和箭頭朝下（自旋向下）來描述15a19fe4c3b2d335bb8ef0ab297dc1cb。在一個磁體中，由于電子之間的量子相互作用，所有的自旋都是指向同一個方向的，不過人們對這種量子相互作用仍知之甚少。

雷伊說，處于基態的鍶原子可被用來模擬自旋向下的電子，處于激發態的原子則代表自旋向上的電子。追蹤這些原子間相互作用的出現及其細節，有望為揭示磁體中電子的量子相互作用的性質提供線索。最重要的是，與通常構建的模擬電子行為的原子網絡不同，原子鐘可以在高于絕對零度百萬分之幾攝氏度這一相對溫和的溫度條件下工作。

未參與此項研究的哈佛大學的米哈伊爾·盧金評論說：“這項研究可以為自旋系統的量子動力學帶來基本的新見解。”