中子星內(nèi)部究竟發(fā)生了什么還有待猜測。就物理學(xué)而言，中子星、冷原子氣體和核系統(tǒng)的內(nèi)部都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都是由高度相互作用的超流體費(fèi)米子組成的氣體系統(tǒng)。研究人員給超級計(jì)算機(jī)Piz注入了一種新的模擬方法，結(jié)果最終提供了對此類系統(tǒng)未知過程的洞察。

中子星、冷原子氣體和核系統(tǒng)都是由高度相互作用的超流體費(fèi)米子組成的氣體系統(tǒng)，即由自旋為半整數(shù)粒子(固有角動量)組成的系統(tǒng)。費(fèi)米子的種類包括電子、質(zhì)子和中子。在非常低的溫度下，這些系統(tǒng)被描述為超流體，這意味著它們中的粒子不會產(chǎn)生任何內(nèi)摩擦，并且具有幾乎完美的導(dǎo)熱性能。

博科園-科學(xué)科普：這些超流體費(fèi)米氣體的行為不符合經(jīng)典物理定律，而是可以更好地用量子力學(xué)定律來描述。華沙理工大學(xué)和西雅圖華盛頓大學(xué)助理教授加布里埃爾·瓦茲沃夫斯基及其團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種基于密度泛函理論（DFT）的新方法。在超級計(jì)算機(jī)Piz Daint的幫助下，他們的目標(biāo)是創(chuàng)建這些超流體費(fèi)米子系統(tǒng)及其動力學(xué)的高度精確描述。換句話說，它們將描述渦旋如何在這種“原子云”中形成和衰減，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。在超流體費(fèi)米氣體中，單個(gè)費(fèi)米子和相關(guān)費(fèi)米子同時(shí)存在。從自旋相反的粒子之間的相互關(guān)系中，材料的超導(dǎo)性能出現(xiàn)了。

相關(guān)的費(fèi)米子，像超導(dǎo)體中的電子一樣，以冷凝態(tài)成對存在，被稱為庫柏對。每一對都可以在不損失能量的情況下通過系統(tǒng)。然而，多年來人們一直在研究自旋不平衡的情況下會發(fā)生什么，因?yàn)椴皇敲總€(gè)粒子都能找到自旋相反的伙伴來形成庫珀對。情況類似于民間舞會，男女人數(shù)不平衡，有人會因?yàn)樗?她不能組成一對而感到沮喪。未成對原子的作用是什么？這正是研究人員一直在研究的。對超流體費(fèi)米氣體，特別是自旋不平衡系統(tǒng)的精確描述，在過去一直是非常困難的，旋轉(zhuǎn)不平衡發(fā)生在系統(tǒng)受到磁場的影響。研究人員現(xiàn)在的目標(biāo)是將DFT形式應(yīng)用于中子星以及磁星(具有強(qiáng)磁場的中子星)，以預(yù)測內(nèi)部發(fā)生的事情。

顯然，沒有辦法明確地探測恒星的內(nèi)部。因此,我們需要依靠模擬，需要可靠的工具。因此，研究人員正在尋找一個(gè)與目標(biāo)系統(tǒng)有很多相似之處的陸地系統(tǒng)。事實(shí)證明，強(qiáng)相互作用的超冷原子氣體與中子物質(zhì)非常相似。在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了目前可用于多體系統(tǒng)的最完整的量子理論描述來描述這種類型的系統(tǒng)。這使得他們能夠?qū)Τ黧w系統(tǒng)產(chǎn)生更深入的DFT理論。他們還將其與一種特殊的時(shí)間相關(guān)的非平衡費(fèi)米氣體的超流體局部密度近似結(jié)合起來如果沒有近似，超導(dǎo)DFT將導(dǎo)致甚至對于億億級超級計(jì)算機(jī)而言無法達(dá)到的積分微分方程式。通過目前的研究，研究人員現(xiàn)在能夠證明這種近似在考慮的系統(tǒng)中非常有效。

模擬和實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系

通過創(chuàng)建計(jì)算的可視化并將這些圖像與實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行比較，能夠直接觀察這些量子力學(xué)系統(tǒng)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較得出了極好的相關(guān)性。這使得研究人員能夠提供證據(jù)，證明他們計(jì)算這類系統(tǒng)行為的新方法是有效的。下一步，將把這種方法應(yīng)用到肉眼永遠(yuǎn)看不到的過程中，比如中子星內(nèi)部的過程。另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)來自于研究人員對超流體中三種不同的渦旋衰減模式的觀察。根據(jù)研究人員的說法，不同的衰變模式(見圖)取決于系統(tǒng)粒子的自旋極化。極化是由超流體氣體中未成對粒子的吸附作用引起。換句話說：大自然試圖在不阻礙超流體的區(qū)域收集未成對粒子。

量子化渦旋核心就是這樣的地方，不同渦旋的極化會阻止它們再次結(jié)合，至少研究人員是這樣預(yù)測的。因此假定極化效應(yīng)對量子現(xiàn)象有相當(dāng)大的影響，并將導(dǎo)致物理學(xué)中尚未發(fā)現(xiàn)的新領(lǐng)域。然而，僅僅重現(xiàn)一些數(shù)據(jù)是不夠的——我們能預(yù)測一些全新的東西嗎？下一個(gè)要克服的重要障礙是找出這種方法是否具有預(yù)測能力。這種高度復(fù)雜的問題需要巨大的計(jì)算能力。從技術(shù)上講，研究人員解決了數(shù)十萬個(gè)依賴于時(shí)間的非線性耦合三維偏微分方程(PDEs)。因此，該研究的作者向歐洲高級計(jì)算伙伴關(guān)系(PRACE)提交了計(jì)算時(shí)間請求，并獲準(zhǔn)在CSCS上使用Piz Daint，因?yàn)榘凑兆髡叩恼f法，在歐洲只有Piz Daint可以處理此類計(jì)算。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 瑞士國家超級計(jì)算中心/Simone Ulmer

參考期刊文獻(xiàn):《物理評論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.253002

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