由极冷走向高温超导

Marguerite Holloway

Deborah S. Jin 利用接近绝对零度的原子实现了费米凝聚，打开了物理学的新天地，它可能导致室温超导的实现。

Deborah S. Jin利用冷冻的手法：
钾40原子冷冻到绝对零度以上两千万分之一度，能观察到这种神秘的量子行为。
赢得2003年MacArthur“天才人物”奖。

她的方法已经被证实是有影响力的：“坦白地说，许多有趣的科学现象正随着她的脚步成群结队地涌现出来，”诺贝尔奖获得者Eric A. Cornell如是说。正是他的深谋远虑决定雇用Jin在其实验室工作。

狭小的房间被一张长长的金属桌子占据，桌上乱七八糟地放着激光器、镜子、金属线圈、玻璃元件和数以百计的管子。视频显示屏捕捉到某一瞬间的情景：在黑色背景下的灰色光晕中有一个白点。这个模糊图像就代表了被冷冻的钾原子，尽管看上去不是很像，但它就是Deborah S. Jin在量子物理学中卓越工作的核心内容。

作为JILA（国家标准和技术协会和科罗拉多大学Boulder分校的合作机构）的成员，Jin已经令钾原子变得行为怪异。她将它们恰好冷却到绝对零度（华氏－459度）之上，观察到它们令人称奇的行为，引导人们进入了一个尚未探知的王国，其中蕴含着超导——电流无阻流动的存在。

Jin的研究在1995年起步，正好在他现在合作者中的两个人实现玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）之后。BEC是将气体冷却到低于绝对零度之上千万分之一度形成的。在这种状态下，成千上万的原子进入了全同量子态，其行为就像单一的巨大的原子。然而这种技术只对两大基本粒子家族之一－玻色子有用，它们包括光子和含有偶数个质子、中子和电子的原子。

令粒子的另一家族－费米子参与这种“量子大合唱”是一个更加令人畏缩工作。费米子是构成普通物质的最基本砖瓦，它们包括单个的电子、质子和中子，以及由奇数个这些成分组成的原子。和玻色子不同，费米子是不合群的。泡利不相容原理禁止它们在同一个量子态上存在，但Jin却使它们的手握在了一起。

就在Eric A. Cornell和Carl E. Wieman首次实现玻色－爱因斯坦凝聚之后几个月，Jin来到Cornell的实验室做博士后。在两年里，她已经受JILA雇用。由于丈夫John L. Bohn，一位理论原子物理学家，同时也是她的合作者，也在这儿工作，她为能在这儿找到一个位置感到特别高兴。在四年时间里，Jin就制备出了简并费米气体，这是实现费米凝聚的第一步。去年十二月，她做出了第一个费米凝聚，这也许能揭示如何才能得到室温超导电性。

与Weiman、麻省理工大学的Wolfgang Ketterle一起获得2001年诺贝尔物理学奖的Cornell说：“她对这一领域真是具有令人惊奇的洞察力。在理解什么是真正的关键难题和关键问题，以及在把它们放大并直接地表达出来方面，她天分很高。”

Jin的成就意义非凡，因为她没有在擅长的物理学领域受过训练：既没有玻色－爱因斯坦凝聚所需的专门技术，也没有这方面的背景。“我不得不说，Eric真的很有勇气，”35岁的Jin回忆说，“我不用激光，不用光学仪器，我也不是来自原子物理领域。”

作为物理学家的女儿，Jin说她并没有沉浸在物理中，而是沉浸在一种思维方式中：“科学家都有某种偏见，看待事物的某种方式，这种方式浸透在对待每一件事情中，不仅仅在谈论科学的时候才有。”她回忆到她的第一个研究经历使她转向生物科学以及解剖。高中时，Jin在佛罗里达大学的一个农业工程项目中工作，去识别没有登记的水井。她说，如果不是因为那儿同时进行奶牛研究，这可能是很好的工作。“他们做的事情好像是把奶牛泼上水（我只是觉得这很可笑），然后扇扇子使它们凉快。”她笑道：“我对此完全没有印象。”

1986年，Jin进入普林斯顿大学开始学习物理，一开始并没有激起她的兴趣。但是，一个NASA的暑期实习机会，帮助解决空间探测器的样本采集问题，改变了她的想法：“看到科学家们设计某些东西……然后实施并完成，这使物理学变得更有吸引力。”Jin在芝加哥大学Thomas F. Rosenbaum 那里继续博士工作。Rosenbaum评价说：“她有着难以置信的知识综合能力，如果你说到什么东西，她不会认为它是完全正确的，会全力探究你为什么会持有那种观点。她为人很好，不会在我出错的时候说我是白痴。”的确，即使在不经意谈话的时候，Jin对每一个问题都有独到见解，对每幅图像都仔细关注，温和而坚定地阐明实验的细节和内涵。

到JILA后没多久，Jin就被推举管理Cornell的实验室。她指出如何持续获得玻色－爱因斯坦凝聚，从此成绩斐然。为了把原子冷却到接近绝对零度，物理学家需要激光和磁场来俘获原子。较热的原子必须从势阱中排出，从而带走能量；这种冷却过程一直持续到凝聚形成。一旦Jin掌握了玻色－爱因斯坦凝聚，她就到了费米子研究的前沿。

1999年，Jin和她当时的研究生Brian DeMarco 做出了简并费米气体。这意味着他们已经“说服”了费米子们堆积在那些最低的量子态上，每个态上一个。Jin的方法和其他大多数与其竞争的实验室不同。那些研究人员选择利用锂，它具有天然的强相互吸引作用，这种属性应该使费米子凝聚更容易形成。但是他们需要利用锂的两种同位素进行冷却，每种都需要各自的激光装置。Jin指出，她可以用一种原子——费米子钾40，并将其放入两个自旋态中。（原子的自旋跟它在磁场中的行为相关。）如果它们有不同的自旋，费米子会碰撞并交换能量，Jin可以将较高能量的原子赶走直到只有极冷的费米子存在。Ketterle说：“她是第一个用钾工作的人，而且证明这是个捷径。”Jin的方法只需要较少的激光和较简单设备。Jin披露说：“这的确在技术上较为容易。”

下一个目标是使费米子强烈地相互吸引。Jin利用被她描述为“强有力的磁按钮”的东西来扰动磁场，产生所谓的费希巴赫共振来控制钾40原子间的相互作用，使它们或多或少地相互吸引。Jin说：“当我开始我的研究时，这些共振还是遥不可及。”

用她的这种魔术手段，去年11月Jin和她现在的团队——Markus Greiner 和 Cindy A. Regal做出了费米子，然后形成玻色子，进而使得这些玻色子发生凝聚。（费米子有半整数的自旋，而玻色子是整数自旋，两个费米子结合可以形成一个玻色子。）匈牙利因斯布鲁克大学的Rudolf Grimm利用锂得到同样的结果，恰好在Jin之前发表。

Jin的研究组则在迫近当年年底夺取了“圣杯”。她提出她的费米子并不像分子那样存在，也就是说，它们没有变得在化学上键合在一起，而是以具有很强相互作用的对存在，就像超导电性中的电子一样。她说：“但是费米子凝聚的困难在于如何观察它。”的确，她的结果一开始就受到人们的质疑。现在，Ketterle评价说：“无疑，她已经进入了一个非常丰富和有趣的领域。”

Jin对理论和实验中尚不可知的东西感到极其兴奋。她说：“我们处在一个不能用玻色－爱因斯坦凝聚或者超导理论很好描述的王国里。”Jin 补充到，这些费米子对如此牢固，以至于“我认为它预示着存在室温超导体的可能。”尽管竞争十分残酷，而且出差经常使她和女儿分开，但是Jin仍然沉迷于量子世界：“这并不是直觉。事情并不总像人们所期望的那样发生。”就像她所喜欢的东西一样。