泡利不相容原理是量子力学最重要和研究最透彻的推论之一。它表明费米子——像电子这样的粒子——不能占据相同的量子态。它有着深远的影响。
其中最著名的是原子的结构。不相容原理确保电子占据原子核周围不同的轨道。这种自组织就是为什么原子有体积，为什么两个原子不能同时出现在同一个地方。这也是我们不能穿墙而过的原因。
但是，近年来，物理学家开始考虑该原理更微妙的其他后果。几年前，他们预测，当费米子被困在其他情况下时，这种自组织也应该起作用。然后，它们应该会形成具有特定、独特几何形状的晶体。
当然，这种情况发生的条件很难创造。事实上，没有人能够观测到泡利晶体……直到现在。
今天，德国海德堡大学的 Marvin Holten 和同事表示，他们首次观测到了泡利晶体。他们称之为“壮观的几何结构”，这些晶体令人惊叹。
自组织现象
与普通晶体不同，普通晶体的结构源于粒子之间的相互作用，而泡利晶体的自组织则是在没有相互作用的情况下出现的。完全缺乏相互作用使得实验难以设置。“对泡利晶体的探测对实验提出了相当严峻的要求，到目前为止还没有实验观测到，”该团队表示。
最著名的费米子是电子。但它们带有强大的负电荷，会压倒不相容原理微妙的自组织效应。但有些原子是复合费米子且电中性的。其中一种就是锂-6。
原理相对简单。该团队使用激光将一团超冷锂-6原子困在一个平坦的二维层中。锂-6原子被冷却到最低能量状态，因此它们必须遵循不相容原理，从而自组织成特定的模式。
当然，任何群体中总会有处于不同状态的原子。所以诀窍在于找到一种方法来同时只观察处于相同状态的原子。这之所以可能，是因为原子的状态决定了它们发出的光的波长。
因此，通过寻找特定波长的发射光，该团队能够拍摄特定状态下所有原子在某一时刻位置的照片，而忽略其他原子。
他们以令人印象深刻的规模进行操作，拍摄了 20,000 张这样的图像，然后选择那些显示出符合不相容原理所需数量原子的图像。
在进行了一些进一步的处理以减去原子团的整体动量，并旋转图像以正确对齐后，该团队将数千张照片叠加起来，以显示原子的动量分布。
晶体显现
这时，基于粒子必须相互避开的方式，晶体结构突然变得可见（见图）。Holten 及同事表示：“由于泡利的原理，它们相互避开，形成了已被预测并称为泡利晶体的精确几何结构。”
这是一个有趣而美丽的结果，具有重要的潜力。该团队指出，通过扩大实验规模，他们可以研究已知在费米子气体中出现的其他效应。
其中一种效应是超导性，当电子形成库珀对时，在某些金属中会发生。该团队表示，他们的方法应该能够让他们研究这些配对的出现。“我们的工作为未来研究强相互作用多费米子系统的相关性奠定了基础，”他们说。
看看他们会发现什么将会很有趣。
参考：泡利晶体的观测 arxiv.org/abs/2005.03929
