充分了解怀尔德霍尔凯文赖特实验室的复杂性需要对超冷量子物理学有深入的了解。但是谁有时间呢?了解一杯热咖啡就可以了。

“为了想象某种东西成为超流体意味着什么，想象一下用勺子搅拌咖啡，然后将其取出，” 物理学和天文学助理教授赖特解释说。“然后想象一下，咖啡一直在旋转，永远不会停下来。”

现在想象一下，永无止境的漩涡咖啡不是用勺子搅拌的，而是被一束纵横交错的激光束所搅动的，这在量子物理学的“幽灵”世界中以某种方式完全合理。

而不是咖啡，它是一团旋转的锂原子云。

欢迎来到世界上第一个使用超冷类电子原子的“可调谐”超流体电路。迷宫般的激光和超流体原子云是赖特设计的独一无二的微观试验台的一部分，旨在探索电子在真实材料中的工作方式。

“许多现代技术都围绕着控制电路周围的电子流动，”赖特说。研究人员现在第一次可以在高度可控的环境中分析这类量子粒子的奇怪行为。

虽然铜等常见的导电材料已广为人知，但研究人员并不完全了解电子如何在超导体等特殊材料中移动或受到控制。

挑战在于隔离和控制单个电子以研究它们的行为。赖特电路的新颖之处在于它使用一个完整的原子来演示其单个基本部分的行为方式。不幸的是，这里没有足够的咖啡类比，但根据赖特的说法，“我们正在学习电子而不使用电子。”

进一步理解赖特的研究需要了解原子粒子可以是玻色子或费米子。玻色子，例如光子，往往会聚集在一起。费米子，例如电子，往往会相互避开。

虽然使用超冷类玻色子原子的超流体电路已经存在——由赖特在国家标准与技术研究所开创的——达特茅斯电路是第一个使用超冷原子作为那些非社会费米子的电路。

“电子可以做的事情比任何人想象的都要陌生和丰富，”赖特说。“通过使用类电子原子，我们可以以以前不可能的方式测试理论。”

Lithium-6 使这项工作成为可能。尽管同位素是具有原子核、质子和电子的完整原子，但它的行为类似于电子。激光用于将锂冷却到接近绝对零的温度，然后以模仿电子在超导电路周围流动的方式移动原子。激光还可以检测原子的行为方式，甚至提供电路的结构——超高真空室中的微观跑道，供原子绕圈。

测试台分布在三个约 18 英尺宽的不锈钢光学平台上，让物理学家可以使用一个量子模拟器，这将使他们能够研究在没有额外能量的情况下无限流动的电流的形成和衰减——想象中的无休止地旋转咖啡。

该实验室在创造超流体环境方面的成功在最近由 Yanping Cai、Guarini '21、 Daniel Allman、Guarini '23、 Parth Sabharwal、Guarini '24 和 Wright 撰写的研究中详细介绍，该研究发表在 Physical Review Letters上。

“成为无人参与的事情的一部分真是太棒了，”奥尔曼说，赖特认为他是实验室的主要故障排除者。“这是新研究的前沿，很酷。”

赖特的实验室将达特茅斯学院置于使用超冷费米子进行实验研究的中心，并有可能吸引希望测试理论和分析特殊材料的研究人员。实验室的研究结果还可以为开发使用超导体和其他可用于量子计算机的奇异量子材料的新型设备创造机会。

“我们已经跨越了使用费米子量子气体构建测试电路的门槛，”赖特说，带着一丝适度的自豪。“以与在电子设备中相同的方式设计和控制超冷费米子电路周围的原子流动，这是以前从未完成过的。”

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