粒子加速在现代物理学中具有核心地位。例如，高能对撞机通过加速粒子并使其碰撞，帮助我们深入揭示微观粒子的奥秘；在核聚变研究中，粒子的加速行为有助于维持等离子体的稳定；而在天体物理学中，它有助于解释了高能宇宙粒子的起源。然而，宇宙中某些最重要的加速过程华锋优配网，至今仍停留在理论层面。
在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个国际研究团队利用光阱中的超冷原子，首次成功展示了一种名为“费米加速”的粒子加速机制。这一成果为在实验室中研究高能宇宙现象打开了新路径。
费米加速
1949年，恩里科·费米（Enrico Fermi）提出了一种机制，解释了我们所观测到的宇宙线中那些带电粒子是如何获得巨大能量的。该机制指出，当一个粒子与一个移动的磁镜发生正面弹性碰撞时，它会获得动能；而如果是尾部（追尾）碰撞，则会损失动能。但由于正面相遇的概率高于尾部碰撞，所以平均而言，粒子的能量会随时间的推移而逐步增长。
在天体等离子体中，这种“费米加速”机制是通过粒子与磁场扰动的散射来实现的，但这一加速机制并不限于宇宙环境，它也适用于很多地球上的经典系统与量子系统，并且激发了许多具有独特性质的数学模型。
然而，由于要想在地球上构建一个真正的费米加速器是一项极具挑战的任务，因此长期以来，这一加速过程始终未被直接观测到，直到现在。
冷原子与激光势垒
在新的研究中，为了构建一个费米加速器，研究人员使用冷却后的中性铷原子来模拟被加速的带电粒子，而移动磁镜的角色则由激光束产生的可控势垒来承担。这些势垒由数字微镜器件（DMD）动态生成华锋优配网，DMD通过调控激光束的空间分布，精确决定势垒的位置与形状。
在实验中，研究人员在一个盒状的光阱中将大约25000个铷原子冷却至20纳开尔文。随后，他们会让阱的一侧以每秒几毫米的速度缓慢向另一侧靠近。当两侧势垒不断逼近时，原子在它们之间来回弹跳、不断获得能量。大约25毫秒后，一部分原子获得足够能量，以高达0.5米/秒的速度逃离，形成了“超冷原子喷流”。
除了展示加速机制外，研究人员还通过精确控制加速器内部的耗散率（即能量损失）来测量逸出原子的能谱，并将其与1978年由物理学家安东尼·贝尔（Anthony Bell）提出的理论进行了比较：贝尔提出的模型预测宇宙线遵循幂律分布，而实验结果与这一预测高度吻合，这是对贝尔理论的首次直接验证。
微型装置的巨大潜能
这是一台仅有约100微米大小的加速器，却能将超冷原子快速加速到0.5米/秒以上的速度，其关键在于通过可控光学势垒与被俘获的超冷原子进行高效碰撞。研究人员表示，新研发的费米加速器所取得的效果，已经超越了目前量子技术中最先进的加速方法。
这台加速器所产生的“超冷原子喷流”，展示了对粒子加速过程进行高精度操控的巨大潜力。而利用冷原子系统来研究费米加速机制，也为探索高能天体物理中的相关现象开辟了崭新路径。
研究人员预计，未来的研究将进一步扩展至激波中的粒子加速、磁重联、以及宇宙中的湍流过程等关键物理机制。此外，探索“量子版”费米加速的可能性，也有望催生操纵量子波包的新工具，从而推动量子信息科学的发展。
研究团队还计划探索这一装置在多个领域的潜力，包括量子化学与“原子电子学”（atomtronics）。他们将进一步研究不同类型的相互作用如何影响加速效率与可达到的最大能量，从而为理论与实验物理带来新的启示。
#参考来源：
https://physics.aps.org/articles/v18/131
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/nrjv-pwy1
https://www.eurekalert.org/news-releases/1090660
#图片来源：
封面图&首图：SerenityArt / Pixabay
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