熱量不僅會擴散，在某些情況下，它還可能像聲波一樣，以波的形式傳播，被稱為“第二聲”。這神秘的“第二聲”一般不會出現(xiàn)在普通物質(zhì)中，只會出現(xiàn)在某些特殊物質(zhì)中，例如液氦超流。

最近，中國科學技術(shù)大學潘建偉團隊在世界上首次破譯了“第二聲”的衰減率，即聲擴散系數(shù)。這是他們基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺獲得的結(jié)果，并依此準確測定了費米超流的熱導率與粘滯系數(shù)。

虎年第一周，國際著名學術(shù)期刊《科學》發(fā)表了這項來自中國的量子模擬重大突破。雜志審稿人稱該項工作“展示了令人驚嘆的實驗杰作”“是一篇極為出色的論文”“有望成為量子模擬領(lǐng)域的一座里程碑”。

神秘“第二聲”

發(fā)現(xiàn)80多年，諾獎預言卻難以深入研究

什么是超流？超流就是粘滯性變成0的流體，這是一種宏觀量子現(xiàn)象。

舉個例子，因為有粘滯性的存在，我們攪拌一杯水而形成的漩渦，會在停止攪拌后慢慢消失，水體恢復平靜。而超流體中的漩渦卻會永遠停不下來。更神奇的是，裝到一個容器中的超流體，會自己“爬”出來。

1937年，蘇聯(lián)物理學家卡皮查在液態(tài)氦-4中首次發(fā)現(xiàn)了超流現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)它具有一系列奇特性質(zhì)，如極高熱導率、粘滯性極小，可以克服重力沿容器壁向上攀升，還有“第二聲”現(xiàn)象等等。

上世紀四十年代，蘇聯(lián)科學家朗道建立了二流體理論，成功解釋了氦-4液體（強相互作用玻色體系）的超流現(xiàn)象，并預言了熵或溫度會以波的形式在超流中傳播。由于熵波（即溫度波）的性質(zhì)與傳統(tǒng)聲波（第一聲）類似，會在傳播過程中逐漸衰減，因此朗道又將其命名為“第二聲”。他本人也因此獲得了1962年諾貝爾物理學獎。

在研究液氦超流現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，人們建立了一個普適理論，叫做“動力學標度理論”，它對很多量子體系的相變都具有重要指導意義。該理論指出，許多不同體系的相變過程都遵從某些相同的普適函數(shù)。

此次論文的共同第一作者、中科大博士生羅翔解釋，液氦-4是一個強相互作用的超流費米體系，同樣的體系也存在于中子星的地殼、宇宙大爆炸之初的夸克-膠子等離子體之中。因此，破譯超流的物理性質(zhì)參數(shù)，有望使我們對那些無法觸及的物理現(xiàn)象有更多理解。

▲陳宇翱（左）與姚星燦（右）在超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺前探討實驗進展。

然而，科學家在幾十年的研究中發(fā)現(xiàn)，動力學標度理論中的很多關(guān)鍵參數(shù)在液氦中非常難測，因為它的量子臨界區(qū)非常狹窄，觀測技術(shù)和設(shè)備遠不足以精確地從中探測到所需參數(shù)，故而在液氦體系中很難再深入研究“第二聲”現(xiàn)象。

新機遇出現(xiàn)

精確調(diào)控超冷原子，模擬復雜量子系統(tǒng)

科學家發(fā)現(xiàn)，“第二聲”的傳播和衰減與超流序參量直接耦合，是一種只存在于超流體中的獨特量子輸運現(xiàn)象。

那么，除了液氦-4之外，還有沒有其他的超流體系呢？超冷原子的出現(xiàn)，讓物理學家們隱約看到了新的希望。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，這為研究“第二聲”的衰減帶來了新機遇。

科學家經(jīng)過堅持不懈的努力，終于在2005年前后確認了超冷原子體系中存在超流現(xiàn)象，又于2013年在該體系中測到了第二聲波的存在。

在費米超流中研究“第二聲”的衰減行為，不僅能回答“二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。

這的確是一個機遇，但更是一個難度極高的國際前沿研究方向。羅翔告訴記者，之前有兩個技術(shù)瓶頸難以突破：一是原子數(shù)不足，二是測量精度不夠。實際上，超冷原子的溫度本身已經(jīng)接近絕對零度，只比絕對零度高千萬分之一攝氏度，測溫本就非常困難，而觀測“第二聲”則要探測溫度波動所伴隨的那一點點物質(zhì)密度波動，更是難上加難。

該論文通訊作者之一、中科大教授陳宇翱認為，盡管困難重重，但這同時也是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的一個重要目標——用人造的可精確操控的量子體系，來模擬復雜的量子系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)復雜系統(tǒng)的物理規(guī)律。

陳宇翱進一步解釋說，強相互作用的鋰原子就是費米子，如果用鋰原子來模擬朗道所預言的費米超流中的熵波，那么未來就可以把實驗中所觀測到的規(guī)律，推廣到其他強相互作用的費米體系。比如，中子星就是一個強相互作用的費米體系。

經(jīng)過長期艱苦努力，中科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等成功搭建起了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺。作為量子模擬的一個應(yīng)用，他們與澳大利亞科學家胡輝合作，開始挑戰(zhàn)測量“第二聲”的衰減率等關(guān)鍵參數(shù)。

▲來自中國的量子模擬重大突破 超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺實驗系統(tǒng)（部分）

突破技術(shù)關(guān)

千萬個原子中，探測“納開級”溫差

想要觀測“第二聲”的衰減，既要制備出高品質(zhì)、密度均勻的費米超流，還要發(fā)展出探測微弱溫度波動的方法。費米超流確立十幾年來，這兩項關(guān)鍵技術(shù)卻一直未得到突破，因此無法對“第二聲”的衰減率進行測定。

在過去四年多時間里，潘建偉研究團隊不僅搭建了一個全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，還融合發(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)，最終成功實現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費米氣體的制備。

該論文通訊作者之一、中科大教授姚星燦詳細介紹了他們在費米超流制備上的主要突破。與早期冷原子實驗只有幾萬個原子相比，他們所制備的超冷費米超流所包含的原子數(shù)達到了千萬級，即約1000萬個鋰原子。

但這一超流體的實際大小只是一個肉眼幾乎不可見的小顆粒，直徑僅為百微米——1立方厘米的空氣大約只有指甲蓋大小，卻包含有1千億億個氣體分子。而1000萬個超冷氣態(tài)鋰原子的密度只有空氣的百萬分之一。

▲磁光阱中的超冷鋰原子團（約10億個）

與此同時，研究團隊對超冷原子體系溫度的調(diào)控精度也達到了納開爾文級別（十億分之一開爾文，開爾文是熱力學單位）?；诘驮肼曅胁ü饩Ц衽c高分辨原位成像技術(shù)，他們通過實驗實現(xiàn)并理論詮釋了低動量傳遞（約百分之五費米動量）與高能量分辨率（優(yōu)于千分之一費米能）的布拉格譜學方法，并利用其實現(xiàn)了對體系密度響應(yīng)的高分辨測量。

在這一系列技術(shù)突破的基礎(chǔ)之上，團隊終于精確測得了“第二聲”的衰減率。

獲得衰減率

破譯關(guān)鍵參數(shù)，后續(xù)研究已在路上

“第二聲”實在太微弱了！羅翔一邊回憶歷時四年多的實驗歷程，一邊向記者解釋，在超冷鋰-鏑原子量子模擬體系中，第二聲波伴隨的氣體原子波動，遠比第一聲波要微弱。在茫茫噪聲中發(fā)現(xiàn)了隱隱約約的信號時，他深深吐出了一口憋在胸口好幾年的氣——終于感覺看到了希望，真是找了很久，他曾睡覺都擔心，怕沒法在畢業(yè)前測到它。

陳宇翱介紹，在這個實驗中，他們精確測量了熵波或者說溫度波的衰減率，并且發(fā)現(xiàn)衰減率只跟玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)有關(guān)。由此，他們準確推算測定了體系的熱導率與粘滯系數(shù)。

研究結(jié)果還表明，強相互作用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。同時它還可用來證明，黏滯系數(shù)、熱導率等輸運系數(shù)都只是粒子數(shù)和溫度的函數(shù)，與粒子間相互作用的具體形式無關(guān)。

此外，研究團隊還成功觀測到了熵波在量子臨界區(qū)附近的發(fā)散行為，并高質(zhì)量標定出了這個體系所擁有的量子臨界區(qū)——它非?？捎^，比液氦體系大了100倍。姚星燦頗感自豪地說，這一發(fā)現(xiàn)為利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關(guān)聯(lián)費米體系中的反常輸運現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

未來，研究團隊將對強相互作用費米超流的臨界現(xiàn)象展開更深入的量子模擬研究。這不僅對人們理解和探索高溫超導體等強關(guān)聯(lián)費米系統(tǒng)有所幫助，還有望確定超流相變的普適臨界函數(shù)。

　　作者：許琦敏

　　圖源：中科大提供

責任編輯：任荃