由極冷走向高溫超導

Marguerite Holloway

Deborah S. Jin 利用接近絕對零度的原子實現了費米凝聚，打開了物理學的新天地，它可能導致室溫超導的實現。

Deborah S. Jin利用冷凍的手法：
鉀40原子冷凍到絕對零度以上兩千萬分之一度，能觀察到這種神秘的量子行為。
贏得2003年MacArthur“天才人物”獎。

她的方法已經被證實是有影響力的：“坦白地說，許多有趣的科學現象正隨着她的腳步成群結隊地湧現出來，”諾貝爾獎獲得者Eric A. Cornell如是說。正是他的深謀遠慮決定雇用Jin在其實驗室工作。

狹小的房間被一張長長的金屬桌子占據，桌上亂七八糟地放着激光器、鏡子、金屬線圈、玻璃元件和數以百計的管子。視頻顯示屏捕捉到某一瞬間的情景：在黑色背景下的灰色光暈中有一個白點。這個模糊圖像就代表了被冷凍的鉀原子，儘管看上去不是很像，但它就是Deborah S. Jin在量子物理學中卓越工作的核心內容。

作為JILA（國家標準和技術協會和科羅拉多大學Boulder分校的合作機構）的成員，Jin已經令鉀原子變得行為怪異。她將它們恰好冷卻到絕對零度（華氏－459度）之上，觀察到它們令人稱奇的行為，引導人們進入了一個尚未探知的王國，其中蘊含着超導——電流無阻流動的存在。

Jin的研究在1995年起步，正好在他現在合作者中的兩個人實現玻色－愛因斯坦凝聚（BEC）之後。BEC是將氣體冷卻到低於絕對零度之上千萬分之一度形成的。在這種狀態下，成千上萬的原子進入了全同量子態，其行為就像單一的巨大的原子。然而這種技術只對兩大基本粒子家族之一－玻色子有用，它們包括光子和含有偶數個質子、中子和電子的原子。

令粒子的另一家族－費米子參與這種“量子大合唱”是一個更加令人畏縮工作。費米子是構成普通物質的最基本磚瓦，它們包括單個的電子、質子和中子，以及由奇數個這些成分組成的原子。和玻色子不同，費米子是不合群的。泡利不相容原理禁止它們在同一個量子態上存在，但Jin卻使它們的手握在了一起。

就在Eric A. Cornell和Carl E. Wieman首次實現玻色－愛因斯坦凝聚之後幾個月，Jin來到Cornell的實驗室做博士後。在兩年裡，她已經受JILA雇用。由於丈夫John L. Bohn，一位理論原子物理學家，同時也是她的合作者，也在這兒工作，她為能在這兒找到一個位置感到特別高興。在四年時間裡，Jin就製備出了簡併費米氣體，這是實現費米凝聚的第一步。去年十二月，她做出了第一個費米凝聚，這也許能揭示如何才能得到室溫超導電性。

與Weiman、麻省理工大學的Wolfgang Ketterle一起獲得2001年諾貝爾物理學獎的Cornell說：“她對這一領域真是具有令人驚奇的洞察力。在理解什麼是真正的關鍵難題和關鍵問題，以及在把它們放大並直接地表達出來方面，她天分很高。”

Jin的成就意義非凡，因為她沒有在擅長的物理學領域受過訓練：既沒有玻色－愛因斯坦凝聚所需的專門技術，也沒有這方面的背景。“我不得不說，Eric真的很有勇氣，”35歲的Jin回憶說，“我不用激光，不用光學儀器，我也不是來自原子物理領域。”

作為物理學家的女兒，Jin說她並沒有沉浸在物理中，而是沉浸在一種思維方式中：“科學家都有某種偏見，看待事物的某種方式，這種方式浸透在對待每一件事情中，不僅僅在談論科學的時候才有。”她回憶到她的第一個研究經歷使她轉向生物科學以及解剖。高中時，Jin在佛羅里達大學的一個農業工程項目中工作，去識別沒有登記的水井。她說，如果不是因為那兒同時進行奶牛研究，這可能是很好的工作。“他們做的事情好像是把奶牛潑上水（我只是覺得這很可笑），然後扇扇子使它們涼快。”她笑道：“我對此完全沒有印象。”

1986年，Jin進入普林斯頓大學開始學習物理，一開始並沒有激起她的興趣。但是，一個NASA的暑期實習機會，幫助解決空間探測器的樣本採集問題，改變了她的想法：“看到科學家們設計某些東西……然後實施並完成，這使物理學變得更有吸引力。”Jin在芝加哥大學Thomas F. Rosenbaum 那裡繼續博士工作。Rosenbaum評價說：“她有着難以置信的知識綜合能力，如果你說到什麼東西，她不會認為它是完全正確的，會全力探究你為什麼會持有那種觀點。她為人很好，不會在我出錯的時候說我是白痴。”的確，即使在不經意談話的時候，Jin對每一個問題都有獨到見解，對每幅圖像都仔細關注，溫和而堅定地闡明實驗的細節和內涵。

到JILA後沒多久，Jin就被推舉管理Cornell的實驗室。她指出如何持續獲得玻色－愛因斯坦凝聚，從此成績斐然。為了把原子冷卻到接近絕對零度，物理學家需要激光和磁場來俘獲原子。較熱的原子必須從勢阱中排出，從而帶走能量；這種冷卻過程一直持續到凝聚形成。一旦Jin掌握了玻色－愛因斯坦凝聚，她就到了費米子研究的前沿。

1999年，Jin和她當時的研究生Brian DeMarco 做出了簡併費米氣體。這意味着他們已經“說服”了費米子們堆積在那些最低的量子態上，每個態上一個。Jin的方法和其他大多數與其競爭的實驗室不同。那些研究人員選擇利用鋰，它具有天然的強相互吸引作用，這種屬性應該使費米子凝聚更容易形成。但是他們需要利用鋰的兩種同位素進行冷卻，每種都需要各自的激光裝置。Jin指出，她可以用一種原子——費米子鉀40，並將其放入兩個自旋態中。（原子的自旋跟它在磁場中的行為相關。）如果它們有不同的自旋，費米子會碰撞並交換能量，Jin可以將較高能量的原子趕走直到只有極冷的費米子存在。Ketterle說：“她是第一個用鉀工作的人，而且證明這是個捷徑。”Jin的方法只需要較少的激光和較簡單設備。Jin披露說：“這的確在技術上較為容易。”

下一個目標是使費米子強烈地相互吸引。Jin利用被她描述為“強有力的磁按鈕”的東西來擾動磁場，產生所謂的費希巴赫共振來控制鉀40原子間的相互作用，使它們或多或少地相互吸引。Jin說：“當我開始我的研究時，這些共振還是遙不可及。”

用她的這種魔術手段，去年11月Jin和她現在的團隊——Markus Greiner 和 Cindy A. Regal做出了費米子，然後形成玻色子，進而使得這些玻色子發生凝聚。（費米子有半整數的自旋，而玻色子是整數自旋，兩個費米子結合可以形成一個玻色子。）匈牙利因斯布魯克大學的Rudolf Grimm利用鋰得到同樣的結果，恰好在Jin之前發表。

Jin的研究組則在迫近當年年底奪取了“聖杯”。她提出她的費米子並不像分子那樣存在，也就是說，它們沒有變得在化學上鍵合在一起，而是以具有很強相互作用的對存在，就像超導電性中的電子一樣。她說：“但是費米子凝聚的困難在於如何觀察它。”的確，她的結果一開始就受到人們的質疑。現在，Ketterle評價說：“無疑，她已經進入了一個非常豐富和有趣的領域。”

Jin對理論和實驗中尚不可知的東西感到極其興奮。她說：“我們處在一個不能用玻色－愛因斯坦凝聚或者超導理論很好描述的王國里。”Jin 補充到，這些費米子對如此牢固，以至於“我認為它預示着存在室溫超導體的可能。”儘管競爭十分殘酷，而且出差經常使她和女兒分開，但是Jin仍然沉迷於量子世界：“這並不是直覺。事情並不總像人們所期望的那樣發生。”就像她所喜歡的東西一樣。