據(jù)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)絡(luò)版近日?qǐng)?bào)道，世界上最精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)器原子鐘又添了一個(gè)新功能：科學(xué)家可將它用作量子模擬器，來研究磁體內(nèi)部電子的量子行為，以更深入地了解量子世界的奧秘。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《科學(xué)》雜志上。

物理學(xué)中有許多難以解答的問題，因?yàn)樗鼈兊幕拘袨槭苠e(cuò)綜復(fù)雜的量子力學(xué)規(guī)則支配，比如電子之間的量子相互作用產(chǎn)生的磁性，就很難進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。目前，固體內(nèi)部電子的行為可以利用冷卻到高于絕對(duì)零度（零下273.15℃）萬億分之幾攝氏度的原子進(jìn)行物理建模，其比電子本身更大、更容易操控，是開展實(shí)驗(yàn)的理想工具。但這種手段面臨的主要障礙是，超低溫條件在實(shí)驗(yàn)室中不太容易實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的理論家安娜·瑪麗亞·雷伊和她的研究團(tuán)隊(duì)，在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了一種可以在高出幾個(gè)量級(jí)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(gè)不同能級(jí)之間的躍遷來計(jì)時(shí)的。該研究小組原本只是研究鍶原子鐘。當(dāng)激光將能量泵入時(shí)，鍶原子就會(huì)以一定的頻率在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間振蕩，也就是原子鐘計(jì)時(shí)的“節(jié)拍”。為了增強(qiáng)原子鐘的信號(hào)，研究人員嘗試著增加原子的數(shù)量，但這反而降低了計(jì)時(shí)的精度，因?yàn)樵娱g的相互作用有時(shí)候會(huì)改變能量躍遷的“鐘擺”節(jié)律。

從數(shù)學(xué)角度來說，這些原子的行為很像磁性材料中的電子的表現(xiàn)。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。在一個(gè)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(gè)方向的，不過人們對(duì)這種量子相互作用仍知之甚少。

雷伊說，處于基態(tài)的鍶原子可被用來模擬自旋向下的電子，處于激發(fā)態(tài)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(xiàn)及其細(xì)節(jié)，有望為揭示磁體中電子的量子相互作用的性質(zhì)提供線索。最重要的是，與通常構(gòu)建的模擬電子行為的原子網(wǎng)絡(luò)不同，原子鐘可以在高于絕對(duì)零度百萬分之幾攝氏度這一相對(duì)溫和的溫度條件下工作。

沒有參與這項(xiàng)研究的哈佛大學(xué)的米哈伊爾·盧金評(píng)論說：“這項(xiàng)研究可以為自旋系統(tǒng)的量子動(dòng)力學(xué)帶來基本的新見解。”這對(duì)于原子鐘也是好消息，他補(bǔ)充說，了解原子如何相互作用，有助于打造更加準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)器。