GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

重力是我们时刻都能感受到的力量，是让我们的双脚留在地面上、海洋留在海盆中的无形纽带。几个世纪以来，我们一直将重力理解为一种平滑且连续的拉力，这一规则同样适用于落下的苹果和漂浮的云朵。但在量子世界中，物理规则针对微小粒子会发生改变，重力的表现也大不相同。它并非平滑地拉动，而是迫使粒子进入特定的、离散的高度能级，就像一把梯子，你可以站在横档上，但永远无法站在横档之间的空间里。这些被称为引力量子态。虽然科学家已经在中子中观察到了这种奇异行为，但一项新的尝试正试图在原子中捕捉到它，这一壮举可能会揭示重力是否对所有物质（甚至是反物质）都以同样的方式运作。

GRASIAN 合作组——一支由来自奥地利、瑞士、芬兰和法国的物理学家组成的团队——一直在建造一台专门的机器，用于观察氢原子中的这些量子态。他们的目标是创造出一束运动得如此缓慢且平稳的氢气，使得原子能够沉降到这些无形的引力横档中。为此，他们必须将原子冷却到接近绝对零度，并引导它们通过一系列狭窄的开口，从而过滤掉任何运动过快或过于杂乱无章的原子。这项挑战极其艰巨，因为原子非常轻且难以控制，而且它们产生的信号很容易被真空室中杂散气体分子产生的背景噪声所淹没。

在最新的工作中，该团队报告了在驯服这种混乱环境方面取得的显著进展。他们首先通过一系列精密孔洞和狭缝来塑造氢束，将原子流的宽度缩小到仅两毫米。这种准直过程就像一个筛子，只允许最有序的原子通过。通过仔细调整这些狭缝的高度，研究人员可以筛选出具有特定垂直速度的原子，过滤出那些运动速度仅为每秒几厘米的原子。这种缓慢、稳定的运动至关重要，因为运动较快的原子会直接飞越量子横档，而永远无法沉降其中。

然而，即使有了完美的束流，实验仍面临着一个主要障碍：背景噪声。探测器捕捉到了从器壁泄漏到腔室内的杂散氢原子的信号，这使得很难将真实信号与噪声区分开来。为了解决这个问题，团队首先尝试用氢的“重兄弟”——氘来代替氢。由于氘更重，在相同温度下运动得更慢，而且它在真空系统中非常罕见，这自然降低了背景噪声。这种更换提高了信号的清晰度，使团队能够检测到运动速度低于每秒 95 米的氘原子。

最显著的改进来自于他们对检测室本身的重新设计。他们安装了一个由液氦冷却的双层屏蔽层，有效地将探测器内部变成了一个冷泵，从而冻结掉杂散的气体分子。这一简单而强大的变化几乎完全消除了与束流相关的背景噪声。在噪声被抑制后，团队成功检测到了运动速度低至每秒 72 米的氢原子，这一阈值使他们离观察到引力量子态所需的运动速度仅一步之遥。

随后，研究人员利用计算机模拟来测试他们目前的装置是否已为最终实验做好准备。他们模拟了原子通过引力光谱仪（一种旨在测量这些量子态高度的设备）时的行为。模拟显示，凭借目前实现的运动速度，他们应该能够看到标志着引力量子态存在的明显阶梯。该团队现在确信，他们的仪器已准备好用现有的检测室替换为最终的光谱仪。如果成功，这项实验将标志着人类首次在原子中观察到引力量子态，为探索引力的基本性质开启一扇新窗口，并可能在未来允许科学家测试重力是如何作用于反物质的。