冷原子系统中观测到巨型量子三体态

科技日报柏林11月14日电 （记者李山）奥地利因斯布鲁克大学和量子光学与量子信息研究所的科学家在冷原子系统中观测到一种特殊的巨型量子三体态——叶菲莫夫激发态（Efimov态）。对Efimov态及其相关少体束缚态的观测可普遍加深人们对稀疏量子少体系统的理解。相关研究成果被收录在物理评论快报精选集中，并附有评论员文章。

三个圆环两两互不相扣，但整个系统却扣连在一起的拓扑结构被称作博罗梅安环（Borromean）。在量子物理中也有类似的现象，当两个全同粒子间的相互作用无法把它们束缚在一起时，三个全同粒子却可能形成一个稀疏的三体束缚态——Efimov态。

进一步的科学计算发现，如果相互作用每增加22.7倍，就会出现一个大22.7倍的新Efimov态。当相互作用趋于无穷大时，这一系列Efimov态的束缚能形成一串几何级数。每个Efimov态附近，还存在相关的四体、五体甚至更多粒子形成的束缚态。由于计算中仅有两个假设：全同粒子（玻色子）且短程（接触）相互作用，所以这是一个非常普遍的结论，在核子、冷原子、冷分子系统中都有意义。

由于多体束缚态非常脆弱、容易衰变，加上传统核子实验难以调控粒子间的相互作用强度，使得观测Efimov态十分困难。2006年，奥地利因斯布鲁克大学和量子光学与量子信息研究所的鲁道夫·格里姆教授带领的研究小组首次观测到了Efimov态的直接证据。和Efimov态相关的四体和五体束缚态也随后在同一实验组被发现。在不同的冷原子系统中，孤立的Efimov态已经被观测到。但一系列的Efimov态，特别是其周期律的存在，一直缺乏实验观测的直接支持。

2014年5月，格里姆研究小组通过进一步冷却铯原子到10纳开尔文以下，使用体积更大、弧度更小的势阱来囚禁原子，并更精密地调控原子相互作用，终于发现了比之前观测到的Efimov态大近22.7倍的新Efimov态。这个三体束缚态的尺寸约是氢原子的20万倍，和一个细菌差不多大。这在原子和分子体系中算是“巨型”了。

接受科技日报记者采访时，论文的第一作者、博士生黄博介绍说：“由于Efimov态是量子三体系统的经典模型和重要代表，对Efimov态及其相关少体束缚态的观测普遍加深了我们对稀疏量子少体系统的理解。”

总编辑圈点

通常来讲，量子科学研究并熟悉的，是双粒子或无穷多粒子组成的系统，对若干粒子组成的“少体系统”却知之甚少，而这恰恰是核物理、分子物理、材料物理乃至量子信息研究的重要内容。科学家对Efimov态的观测弥补了“少体系统”领域的系列缺憾，其重大意义不仅在于“巨型”隐含的多种可能性，更在于它为亚稳定原子核、非常规超导机制等研究带来的借鉴和启发。