2026年9月25日——一团约1万个原子被冷却到距离绝对零度仅十亿分之几度的范围内，这为普渡大学的研究人员提供了一种新视角，来观察量子系统中的有序性似乎崩解时会发生什么，以及这种有序性如何恢复。

研究人员将超冷原子束缚在一条激光制造的狭窄通道内，并突然改变原子间相互作用，从而观察到波在量子气体中泛起涟漪、形成类似冲击波的结构，并逐渐失去长程相干性。随后，当原子之间的相互作用再次改变时，这种相干性出人意料地重新出现。 

这项工作由普渡大学物理与天文系的研究人员领导，发表在《自然·通讯》上，题为“Direct observation of long-range many-body coherence in quasi-one-dimensional attractive Bose gases”。该研究从实验角度展示了大量相互作用的量子粒子在远离平衡态时如何行为，而这一领域在理论上仍难以理解。 

普渡大学物理与天文系教授 Chen-Lung Hung 与 Hikaru Tamura 共同构思了该实验。Tamura 在普渡大学担任博士后研究员期间开展了这项工作，目前是日本分子科学研究所的研究助理教授。Tamura 设计并执行了实验，并分析了数据。普渡大学博士生 Sambit Banerjee 和 Rongjie Li 也参与了实验工作。 

“我们研究了仅仅1万个原子中一种奇特的量子波状行为，这些原子被冷却到比绝对零度高不到一亿分之一度，” Hung 说。“我们用激光将这些原子束缚在一条狭窄的‘沟槽’中运动，并突然使它们相互吸引。”

在如此低的温度下，原子不再仅仅表现为单个粒子。它们可以作为物质波集体行动。Hung 将这项实验比作观察水在狭窄渠道中流动。

当研究人员突然将原子间相互作用从排斥变为吸引时，波开始从原子气体边缘向内移动。这种行为类似于物理学家所说的溃坝流，会产生色散冲击波，并与气体中已有的微小涨落相互作用。在某些条件下，会出现类似 Peregrine 孤子的尖锐峰值，这种波结构在数学上与海洋学中研究的异常波相关。

该团队尤其关注相位相干性。这是衡量原子作为量子波在多大程度上保持集体组织的一种度量。

研究人员创建了两个相邻的准一维原子气体，并让它们的物质波发生干涉。由此产生的干涉图样使团队能够追踪相位相干性随着系统演化如何变化。实验表明，相干性并没有随着吸引性气体变得不稳定而简单地逐渐消失。相反，随着冲击波与由密度涨落产生的不稳定性相互竞争，它以更复杂的方式变化。

随后出现了这项研究最令人惊讶的发现之一。“多体相位相干性很脆弱，” Hung 说。“当相干性消退时，通常意味着超冷原子之间的有序性丢失了，例如由于加热。当我们观察到，将相互作用改回后长程相位相干性能够恢复，这意味着相位相干性并没有真正在物质波中丢失。”

当研究人员将原子改回排斥相互作用时，气体中各处形成的相位跳跃演变为被称为声子的波状激发。将实验观测与模拟进行比较，帮助团队理解这一过程如何使长程有序在准一维系统中重新出现。

这一结果为研究量子物理中一个更广泛的问题提供了途径：当一个有序系统变得无序时，它原有的有序性实际上消失了多少？Hung 说，这些发现可能超出超冷原子气体的范围。类似的非线性波行为出现在等离子体物理、非线性光学甚至光纤通信中，而观测到的重相位现象可能为量子多体系统中的相变和长程有序的涌现提供新见解。

这些实验得以实现，得益于 Hung 在普渡大学的实验室多年来开发的专用设备和实验能力。Hung 是物理与天文系专攻原子、分子与光学物理的教师。他还隶属于普渡大学量子科学与工程研究所，并担任电气与计算机工程的兼任教授。

Hung 的实验室利用激光冷却原子来研究多体量子物理中的基本问题，并模拟通过其他实验难以触及的量子现象。该团队还研究原子与纳米光子波导的相互作用，这项工作在量子光学和量子网络中有潜在应用。

对 Hung 来说，这项实验表明，看似无序的状态可能仍然包含着此前有序量子态的信息。“也许最令人惊讶的行为是，即使在很长时间之后，当相位相干性逐渐消退时，原子之间的有序性也没有真正丢失，而我们找到了一种恢复它的方法，” Hung 说。

这项研究中普渡大学部分的经费部分由以下机构支持：美国国家科学基金会，编号 PHY-2409591；W.M. Keck Foundation；美国能源部 QuantISED 项目（通过费米实验室量子联盟）；以及美国空军科学研究办公室，编号 FA9550-22-1-0327。合作者还获得了美国国家科学基金会、Simons Foundation 和美国陆军研究办公室的额外支持。