为量子模拟添加声音当声音在20世纪20年代首次被纳

当声音在20世纪20 年代首次被纳入电影时，它为电影制作人开辟了新的可能性，例如音乐和口语对话。由于斯坦福大学开发的一种新设备有望为以前无声的量子科学实验带来音频维度，物理学家可能正处于类似革命的边缘。

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特别是，它可以为称为光学晶格的常见量子科学装置带来声音，该装置使用纵横交错的激光束网状结构以类似于晶体的有序方式排列原子。该工具通常用于研究具有重复几何形状的固体和其他物质相的基本特征。然而，这些格子的一个缺点是它们是无声的。
“没有声音或振动，我们就会错过真实材料中存在的关键自由度， ”应用物理学和物理学副教授本杰明·列夫（Benjamin Lev）说，他在 2011 年第一次来到斯坦福大学时就将目光投向了这个问题， ”这就像做汤而忘记了盐；它真的从量子‘汤’中汲取了味道。”
经过十年的工程和基准测试，列夫和宾夕法尼亚州立大学和圣安德鲁斯大学的合作者制造了第一个包含声音的原子光学晶格。该研究于11月11日发表在《自然》杂志上。通过设计一个非常精确的腔，在两个高反射镜之间保持晶格，研究人员使原子可以通过在镜子之间来回反弹的光粒子或光子“看到”自己重复数千次。这种反馈使光子表现得像声子——声音的构建块。
“如果有可能把你的耳朵放在原子的光学晶格上，你会听到它们在1kHz左右的振动， ”列夫说。有声音的超固体
以前的光学晶格实验是无声的，因为它们缺乏这个新系统的特殊弹性。列夫、年轻的研究生萨朗·戈帕拉克里希南（Sarang Gopalakrishnan）（现在是宾夕法尼亚州立大学的物理学助理教授和论文的合著者）和保罗·戈德巴特（Paul Goldbart）（现在是石溪大学教务长）提出了这个系统的基础理论。但它需要与乔纳森·基林（Jonathan Keeling）（圣安德鲁斯大学的读者和该论文的合著者）的合作以及多年的工作来构建相应的设备。

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为了创建这种设置，研究人员用铷的超冷量子气体填充了一个空的镜腔。就其本身而言，这是一种超流体，它是一种物质相，其中原子可以无阻力地以漩涡形式流动。当暴露在光线下时，铷超流体会自发地重新排列成超固体——一种罕见的物质相，同时显示出晶体中的有序性和超流体的非凡流动性。
为腔体带来声音的是两个精心隔开的凹面镜，它们的反射性非常强，单个光子穿过它们的几率只有 1% 。反射率和设置的特定几何形状（曲面镜的半径等于它们之间的距离）导致泵入腔体的光子通过原子超过10,000次。这样做时，光子与原子形成特殊的紧密结合，迫使它们排列成晶格。
“我们使用的腔体在反射镜之间来回反射的光的形状方面提供了更大的灵活性， ”列夫说， “就好像，你现在不仅可以在水槽中产生单一的波浪，还可以溅起任何形式的波浪。”
这种特殊的腔体允许超流体原子（超固体）的晶格移动，因此与其他光学晶格不同，它在被戳时可以自由变形，从而产生声波。为了通过柔性晶格启动声子的发射，研究人员使用一种称为空间光调制器的仪器戳它，这使他们能够在注入腔体的光中编程不同的模式。
研究人员通过捕获发出的光的全息图来评估这如何影响腔内的内容。全息图记录了光波的振幅和相位，从而可以对声子进行成像。除了介导有趣的物理学之外，设备内部镜子的高曲率会产生高分辨率图像，就像显微镜一样，这导致研究人员将他们的创造命名为“活性量子气体显微镜” 。