Stochastic transport of a Goldstone mode in a self-organized atomic crystal

在现代物理学的广袤版图中，一个反复出现的主题是秩序如何从混沌中涌现。当一个系统稳定下来时，它通常会选择一种特定的构型，从而打破了此前允许它处于多种可能状态的某种基本对称性。想象一支铅笔完美地平衡在尖端：它在各个方向上都是对称的。而一旦它倒下，它必须选择一个方向，从而打破了这种对称性。在量子世界中，这种“自发对称性破缺”的过程创造了一种特殊的、无质量的涟漪，被称为戈德斯通模（Goldstone mode）。几十年来，科学家们一直能够通过聆听它们发出的能量或观察它们的振动来探测这些涟漪，就像通过音高来识别一个音符一样。然而，一个关键问题一直悬而未决：当这种涟漪被置于自由漂移的状态时，会发生什么？它是像溪流中的落叶一样随机漂流，还是以一种协调的方式运动？直到现在，在受到宇宙自然噪声干扰的情况下，实时追踪这种难以捉摸的量子涟漪的实际运动，仍然是一项无法企及的任务。

一组研究人员通过在一个环形光学谐振腔内构建一个微型的、自给自足的“小宇宙”，现在解决了这个谜题。他们用一团铷原子填充了这个环，并让激光穿过它。在特定条件下，这些原子并没有保持为无序的气体；相反，它们自发地排列成一种刚性的晶体结构，通过集体产生的相干光格将自身束缚其中。这个自建的晶体具有一个独特的属性：由于环是完美的圆形，该晶体可以轻松地位于圆周上的任何一点，它没有偏好的起始位置。研究人员意识到，这个晶体在环上的位置与腔内光的相位直接相关。通过以极高的精度测量从环中泄漏出的光，他们可以观察到晶体位置的变化，从而有效地追踪戈德斯通模本身的运动。

他们观察到的是一种违背常规扩散规则的运动形式。在典型场景中，例如墨滴在水中扩散，单个粒子独立运动，彼此碰撞并在随机方向上游走。研究人员发现，在他们的原子晶体中，原子并非独立运动。相反，它们作为一个单一的刚性物体在运动。这种运动的驱动力来自于由光子散射在原子上所引起的根本性的、不可避免的抖动。每当一个原子散射一个光子时，它都会受到一个微小的踢力。在普通的物质中，这些踢力会使单个原子四散飞去。然而在这里，由于原子被它们自生成的激光晶格紧紧锁定在一起，对其中一个原子的踢力会被整个群体共享。整个晶体沿着环滑动，既受这些随机踢力的驱动，又受到由光响应延迟所产生的类摩擦力的阻碍。

团队测量了该晶体随时间漂移的速度，并发现了一个显著的模式。随着他们在晶体中加入更多的原子，漂移速度显著减慢。具体而言，扩散速率与原子数量成反比下降。如果他们将原子数量增加一倍，晶体的运动速度就会减半。这证实了整个群体是作为一个巨大的、统一的整体在行动，而非一群独立的粒子。研究人员还通过调节激光光的特性来调整摩擦力。当他们结合测量了速度随原子数量变化的关系以及摩擦强度时，所有的实验数据点都坍缩到了同一条通用曲线上。这表明其行为受控于一个简单且基本的定律，而与实验装置的具体细节无关。

这项工作标志着从仅仅观察对称性破缺的能量特征，转向直接观察由此产生的运动。研究人员证明了戈德斯通模——此前仅被理解为一种光谱特征——可以被视为一种可控的机械对象。他们展示了在能量不断注入并流失的驱动耗散系统中，数千个原子的集体运动可以被高精度地追踪。研究结果排除了这些原子在被动环境中独立运动的可能性；相反，它们被自己创造的光所锁定。研究还探讨了这种行为的极限，指出如果系统变得过热或观测时间过长，晶体最终会熔化，有序运动也会随之崩溃。然而，在他们观察到的稳定窗口内，原子以一种集体刚性运动，将一个理论概念转化为了切实的、可测量的现实。

通过将量子场的抽象相位映射到晶体的物理位置上，研究人员创建了一个研究量子物质在远离平衡态时如何表现的新工具。这一平台允许科学家探测缺陷如何形成、声子（振动）如何传播，以及在不断受到推力和拉力的系统中秩序是如何维持的。观察戈德斯通模如何在其所有可能的范围内游走的能力，为研究对称性破缺的力学机制提供了一个直接的窗口。它将一种曾经隐形的量子现象变成了一段可见的、可追踪的旅程，揭示了即使在量子涨落的混沌舞动中，物质也能找到一种合而为一的方式进行运动。