我們所經歷的世界是由經典物理學支配的。我們如何移動，我們在哪裡，以及我們的速度有多快，都是由經典的假設決定的，即我們在任何一個時間點只能存在於一個地方。但在量子世界中，單個原子的行為是由一個粒子的位置是一個按照概率的奇妙的原理所支配的。例如，在同一個確切的時間一個原子有一定的機會在一個地方，而另一個機會在另一個地方。
當粒子相互作用時，純粹作為這些量子效應的結果，一系列奇怪的現象應該隨之產生。但是，在經典世界的壓倒性噪音中觀察相互作用的粒子的這種純粹的量子力學行為是一項棘手的工作。
現在，麻省理工學院的物理學家們已經直接觀察到在一種特殊的物質狀態下相互作用和量子力學的相互作用：一種超冷原子的旋轉流體。研究人員預測，在旋轉的流體中，相互作用將佔主導地位，並推動粒子表現出奇異的、從未見過的行為。
就像地球上天氣模式的形成一樣，在這裡，量子粒子的旋轉流體分解成一個由旋轉的、類似龍捲風的結構形成的晶體。
在2022年1月5日發表在《自然》雜誌上的一項研究中，麻省理工學院的團隊快速旋轉了超冷原子的量子流體。他們觀察到，最初的圓形原子云首先變形為一個薄薄的針狀結構。然後，在經典效應應該被抑制，只留下相互作用和量子法則來主導原子行為的時候，針狀物自發地斷成了一個結晶圖案，類似於一串微型的量子龍捲。
麻省理工學院物理學助理教授理查德-弗萊徹說：”這種結晶純粹是由相互作用驅動的，這個過程告訴我們我們正在從經典世界走向量子世界。”
這些結果是對快速旋轉的量子氣體的演變的第一個直接的、現場的記錄。麻省理工學院的托馬斯-A-弗蘭克物理學教授Martin Zwierlein說，旋轉的原子的演變大致類似於地球的自轉如何旋轉出大規模的天氣模式。
解釋地球旋轉效應的科里奧利效應類似於解釋帶電粒子在磁場中如何表現的洛倫茲力，即使在經典物理學中，這也會產生耐人尋味的模式形成，比如雲層以美麗的螺旋運動包裹着地球。而現在我們可以在量子世界中研究這個問題。
這項研究的共同作者包括Biswaroop Mukherjee、Airlia Shaffer、Parth B. Patel、Zhenjie Yan、Cedric Wilson和Valentin Crépel，他們都隸屬於麻省理工學院-哈佛大學超冷原子中心和麻省理工學院的電子研究實驗室。
在20世紀80年代，物理學家開始觀察一種被稱為量子霍爾流體的新物質家族，它由漂浮在磁場中的電子云組成。這些粒子不是像經典物理學預測的那樣相互排斥並形成晶體，而是以一種相關的、量子的方式，根據其鄰居的行為調整自己的行為。特別是，磁場中的電子以非常小的運動方式移動很難看到。Zwierlein和他的同事推斷，由於原子在旋轉下的運動發生在更大的長度尺度上，他們也許能夠使用超冷原子作為電子的替身，並能夠觀察到相同的物理現象。
讓這些冷原子的行為就像它們在磁場中的電子一樣，但可以被精確控制。然後我們可以直觀地看到單個原子在做什麼，判斷它們是否服從相同的量子力學物理學。
在他們的新研究中，物理學家們用激光捕獲了一團約100萬個鈉原子，並將原子冷卻到約100納克爾文的溫度。然後他們使用電磁鐵系統產生一個陷阱來限制原子，並集體旋轉原子，就像碗里的彈珠一樣，每秒大約旋轉100次。
研究小組用照相機對原子云進行了成像，捕捉到了類似於兒童在遊樂場旋轉木馬上面向中心時的視角。大約100毫秒后，研究人員觀察到原子旋轉成一個長長的針狀結構，並形成了一個最高點。