科学家首次观察到“物质第五态”中单个原子的空间分布

借助高分辨扫描电子显微镜

经典物理学认为，物质的形态包括固态、液态、气态和等离子态。自1924年以后，“玻色—爱因斯坦凝聚态”成为传说中的物质第五态。据10月22日“每日科学”网站报道，近日德国美因茨大学的科学家们，对物质第五态的研究取得突破性进展，首次成功地观察到“玻色—爱因斯坦冷凝物”中单个原子的空间分布。
 
“玻色—爱因斯坦凝聚”概念最早由印度物理学家玻色提出，爱因斯坦将其理论用于原子气体中，进而做出预言：物质除四态外，还存在另外的一种状态。当温度足够低、运动速度足够慢时，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，此时所有的原子“凝聚”到同一状态，就像一个“超级原子”一样，具有完全相同的物理性质。
 
然而，实现及研究“玻色—爱因斯坦凝聚”的条件极为苛刻：一方面需要达到极低的温度（绝对零度的十亿分之几度），另一方面还需要原子体系处于气态。这在当时几乎是自相矛盾的，一直到理论提出71年之后，美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学的科学家才有所发现，于铷原子蒸气中第一次直接观测到了“玻色—爱因斯坦凝聚”。此后三位科学家因对它的研究获得2001年度的诺贝尔物理学奖。这是一种相对纯粹的“玻色—爱因斯坦冷凝物”，由此科学界对物质第五态的研究迈出关键性一步。
 
而今美因茨大学的物理学家们竖立起一座新的里程碑。研究小组开发出高分辨率扫描电子显微镜，其空间分辨率远远超过以往使用的任何方法，能以极细电子束扫描超冷原子云，使得最微小的结构都清晰可见，因此可用于绘制“玻色—爱因斯坦冷凝物”中的单个原子。同时，研究人员成功使光晶格的结构变得可见，只要将冷原子置于其中，就可藉着调控光晶格来操控原子间的位置。
 
研究人员表示，这一成果将加深人们对物质第五态的了解，“玻色—爱因斯坦凝聚”对于超新星爆发、黑洞的模拟也会促进天体物理学的发展。而在物理学界，这诚如一面放大镜，将量子的微观世界徐徐呈现在人们眼前。

高分辨扫描电子显微镜内部

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“每日科学”网站报道原文（英文）