微观量子磁体的行为长期以来一直是理论物理学教授讲座中的主题。然而，研究非平衡系统的动力学并观察它们“动”起来到目前为止一直是很困难的。现在，马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的研究人员使用量子气体显微镜精确地完成了这一任务。

有了这个工具，量子系统可以被操纵，然后以非常高的分辨率进行成像，甚至连单个原子都可以看见。MPQ研究团队线性自旋链的实验结果表明，它们的方向传播方式对应了所谓的Kardar-Parisi-Zhang(简称KPZ)超扩散。这证实了最近的一个理论猜想。

MPQ的研究人员使用了所谓的量子气体显微镜来追踪量子物理学微小尺度上的过程。这种仪器在原子和激光的帮助下能专门用来创建具有所需特性的量子系统，并能以很高的分辨率对其进行研究。在这些实验中，研究人员还关注传输现象——即量子物体如何在特定的外部条件下进行移动。

该团队现在有了一个令人惊讶的实验发现。研究人员能够证明，自旋的一维传输类似于某些领域的宏观现象。在大多数情况下，量子领域和日常生活中的物理过程有着很大不同。MPQ量子多体系统部门的组长Johannes Zeiher说：“但我们的工作揭示了冷原子中的量子力学自旋系统与经典系统之间有着有趣的联系。这一发现是完全出乎意料的，它指出了非平衡物理学领域的深层联系，但人们对此仍知之甚少。”

物理学家把量子系统和经典系统中随机运动之间的这种理论类比称为“普适性”。在这个特定的例子中，它表现出Kardar-Parisi-Zhang(KPZ)普适性，这是一种以前只在经典物理学中知道的现象。

为了从微观上观察这一现象，该团队首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，这样可以排除由于热引起的运动。然后，他们将超冷原子锁定在一个特殊制成的“盒形”势中，该势由一系列微小的镜子组成。Johannes Zeiher小组的研究员David Wei解释说：“我们用它来研究50个线性排列的自旋链中磁畴壁的弛豫。”

畴壁会将相邻自旋方向相同的区域分开。他们使用了一种新技巧为实验创建畴壁，即通过投射光线产生“有效磁场”。通过这样做，研究人员可以强烈抑制自旋间的耦合，可有效地将它们“锁定”在合适的位置。

自旋链内的弛豫发生在自旋之间的耦合以受控的方式打开之后，并且结果证明，它遵循一种特征模式。Wei说：“这可以用指数为3/2的幂律在数学上进行描述。”这暗示了它与KPZ普适性的联系。当研究人员通过量子气体显微镜检测到单个自旋的运动时，这为它们间的这种关系提供了进一步的证据。

Zeiher说：“这种高精度是进行详细统计评估的基础。例如，我们实验显示出的惊人的自旋扩散过程在数学形式上大致对应于桌布上咖啡渍的扩散。”大约在两年前，有一个理论物理学家团队基于理论思考怀疑它们间可能存在着惊人的联系。然而，他们缺乏对这一假设的实验证实。

对于量子力学自旋现象的描述，物理学家长期以来一直非常成功地使用了所谓的海森堡模型，但直到最近才在该理论模型中描述了自旋输运现象。Johannes Zeiher强调说：“我们的研究结果表明，即使在既定的理论框架内，仍然有可能产生令人惊讶的新见解。它们证明了理论和实验是如何在物理学中相互融合的。”

该研究团队取得的这一成果不仅具有学术价值。它也可用在有形的技术应用中。例如，自旋是构成某些类型量子计算机的基础。而信息载体的传输特性的知识，对于实际实现这种新颖的计算机体系结构可能是至关重要的。他们的这项研究发表在近期的《科学》杂志上。（编译:Qtech）