近期，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊首次觀測到費米超流中的熵波臨界發(fā)散，《科學》雜志評價“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項里程碑”。

中國科學技術(shù)大學潘建偉、姚星燦、陳宇翱等與澳大利亞科學家胡輝合作，首次在處于強相互作用極限下的費米超流體中，觀測到了熵波衰減的臨界發(fā)散行為。相關(guān)成果于2月4日發(fā)表在《科學》雜志上。

這一重大實驗突破有助于利用強相互作用費米體系，開展進一步量子模擬研究，并為理解該體系中的反常輸運現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

圖片來自《科學》雜志網(wǎng)站

“第二聲”(second sound)

熱通常是通過擴散傳播的，但在某些情況下它也能像聲音一樣以波的形式傳播。

80多年前，朗道建立了兩流體理論，成功解釋氦-4液體（強相互作用玻色體系）的超流現(xiàn)象，并預言熵或溫度會以波的形式在超流中傳播。熵波的性質(zhì)與傳統(tǒng)聲波類似，它在傳播過程中會逐漸衰減。朗道將其命名為“第二聲”（second sound）。

“第二聲”，是一種只存在于超流體中的獨特量子輸運現(xiàn)象。超流是一種宏觀量子現(xiàn)象，超流現(xiàn)象指超流體可以沒有阻力（粘滯力）的流動。

科學家曾在液氦和超冷原子體系中觀測到過熵波的“第二聲”傳遞現(xiàn)象，但其動力學過程卻一直無法測量。

在費米超流中研究“第二聲”的衰減行為，不僅能回答“兩流體理論能否描述強相互作用費米超流的低能物理”這一長期存在的問題，還能表征強相互作用費米體系在超流相變處的臨界輸運現(xiàn)象。

如何測量“第二聲”的衰減在國際上一直是個棘手的問題。

由強相互作用極限下的超冷費米原子形成的超流體具有極佳的純凈度與可控性，為研究“第二聲”的衰減帶來了全新的機遇，這也是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的一個重要目標。

但想要觀測“第二聲”的衰減，不僅需要制備高品質(zhì)的密度均勻費米超流，還需要發(fā)展探測微弱溫度波動的方法。盡管費米超流已被實現(xiàn)近20年，但上述兩項關(guān)鍵技術(shù)一直未得到突破，因此國際上無法對“第二聲”的衰減進行研究。

中科大潘建偉團隊經(jīng)過4年多的艱苦攻關(guān)，搭建了一個全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，融合發(fā)展了灰色黏團與算法冷卻、盒型光勢阱等先進的超冷原子調(diào)控技術(shù)，將約1000萬個強相互作用的費米鋰原子冷卻到極低溫下（絕對零度附近），最終成功實現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費米氣體制備。

與此同時，團隊基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術(shù)，實驗并理論詮釋了低動量傳遞（約百分之五的費米動量）與高能量分辨率（優(yōu)于千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，并利用其實現(xiàn)了對體系密度響應的高分辨測量。

在上述兩項關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，團隊成功在強相關(guān)費米超流體中觀測到了“第二聲”的信號，并獲得了完整的密度響應譜。實驗結(jié)果驗證了朗道的理論預言，即溫度會以波動的形式在超流體中傳播。

（A）裝置示意圖，（B）探測方案示意圖，（C）第一聲信號，（D）第二聲信號，圖片來自中科大

觀測“第二聲”

同時，中科大團隊定量觀測了熵波傳播的動力學過程，準確測定該體系的熱導率與粘滯系數(shù)，在國際上首次獲得熵波的衰減率。

據(jù)研究結(jié)果，強相關(guān)費米超流體的輸運系數(shù)均達到了普適的量子力學極限值，例如第二聲擴散系數(shù)約為?/m，熱導率約為n?kB/m。這些極限值僅由約化普朗克（?）和玻爾茲曼常數(shù)（kB），粒子質(zhì)量m和密度n決定。

團隊還在超流相變附近觀測到上述輸運量的臨界發(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)強相互作用費米超流體具有一個可觀的臨界區(qū)，比液氦超流體的臨界區(qū)大約100倍。這一可觀的臨界區(qū)將有助于未來的系統(tǒng)性實驗研究，有利于對量子臨界區(qū)的物理現(xiàn)象，如輸運系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，開展定量的量子模擬研究。

量子模擬的核心目標就是利用精確可控的人造量子系統(tǒng)，對一些現(xiàn)實條件下難以操控的復雜量子系統(tǒng)的基本規(guī)律進行有效模擬，從而解決經(jīng)典計算機無法解決的重要物理問題，為發(fā)現(xiàn)普適的物理規(guī)律提供思路和驗證。

中科大潘建偉團隊的研究成果不僅揭示了強相互作用費米體系存在可觀的臨界區(qū)，并取得重要的動力學輸運系數(shù)，為理解該體系的量子輸運現(xiàn)象提供了重要的實驗信息，是利用量子模擬解決重要物理問題的一個范例。這一普適性的規(guī)律將有望推廣到其它強相互作用費米子體系，如中子星、夸克膠子等離子體。

《科學》雜志審稿人對此做出高度評價，稱該項研究“展示了令人驚嘆的、實驗的杰作”，“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項里程碑”。