原子钟可模拟研究电子的量子行为

世界上最精确的计时器原子钟，再次刷新我们对它的认知。科学家们不仅依靠它精确计时，更将其用作量子模拟器，磁体内部电子的奇异量子行为。这项激动人心的研究已在《科学》杂志上发表。

长久以来，物理学中的许多谜团让我们困扰，因为它们背后的行为受到复杂量子力学规则的支配。特别是电子之间的量子相互作用产生的磁性，这是一个难以用传统计算机模拟的领域。固体内部电子的行为可以通过一种特殊的物理建模方式来研究。这种方法利用的是原子，这些原子在极其接近绝对零度的环境下被冷却到高于零下几万亿分之几摄氏度，它们比电子更大、更容易操控，成为实验的理想工具。这种方法在实践上存在挑战，因为实验室中达到这样的超低温环境并不容易。

现在，美国天体物理联合实验室的理论家安娜玛丽亚雷伊和她的团队带来了一次偶然发现的突破。他们发现了一种模拟量子行为的新方法使用原子钟。这种计时器的原理基于锶原子在两个不同能级间的跃迁。当激光能量注入时，锶原子在基态和激发态之间以特定频率振荡，形成原子钟的“节拍”。

为了增强原子钟的信号强度，研究人员尝试增加原子的数量。意想不到的事情发生了：过多的原子反而降低了计时的精确度。这是因为原子间的相互作用会改变能量跃迁的节律，就像一个影响“钟摆”节奏的隐形之手。令人兴奋的是，这些原子的行为在数学上与磁体中的电子行为非常相似。这些电子具有自旋特性，可以用箭头朝上和朝下简单描述。在磁体中，由于电子之间的量子相互作用，所有自旋都指向同一方向。现在，科学家们可以利用原子钟这种神秘的量子相互作用背后的奥秘。这项研究为我们揭示量子世界的神秘面纱打开了一扇新的大门。