神秘“第二声”首次破译！温度远去了，你“听”到了吗
文汇报2022-02-11 08:34
热量不仅会扩散，在某些情况下，它还可能像声波一样，以波的形式传播，被称为“第二声”。这神秘的“第二声”一般不会出现在普通物质中，只会出现在某些特殊物质中，例如液氦超流。
最近，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次破译了“第二声”的衰减率，即声扩散系数。这是他们基于超冷锂-镝原子量子模拟平台获得的结果，并依此准确测定了费米超流的热导率与粘滞系数。
虎年第一周，国际著名学术期刊《科学》发表了这项来自中国的量子模拟重大突破。杂志审稿人称该项工作“展示了令人惊叹的实验杰作”“是一篇极为出色的论文”“有望成为量子模拟领域的一座里程碑”。
神秘“第二声”
发现80多年，诺奖预言却难以深入研究
什么是超流？超流就是粘滞性变成0的流体，这是一种宏观量子现象。
举个例子，因为有粘滞性的存在，我们搅拌一杯水而形成的漩涡，会在停止搅拌后慢慢消失，水体恢复平静。而超流体中的漩涡却会永远停不下来。更神奇的是，装到一个容器中的超流体，会自己“爬”出来。
1937年，苏联物理学家卡皮查在液态氦-4中首次发现了超流现象，还发现它具有一系列奇特性质，如极高热导率、粘滞性极小，可以克服重力沿容器壁向上攀升，还有“第二声”现象等等。
上世纪四十年代，苏联科学家朗道建立了二流体理论，成功解释了氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。由于熵波（即温度波）的性质与传统声波（第一声）类似，会在传播过程中逐渐衰减，因此朗道又将其命名为“第二声”。他本人也因此获得了1962年诺贝尔物理学奖。
在研究液氦超流现象的基础上，人们建立了一个普适理论，叫做“动力学标度理论”，它对很多量子体系的相变都具有重要指导意义。该理论指出，许多不同体系的相变过程都遵从某些相同的普适函数。
此次论文的共同第一作者、中科大博士生罗翔解释，液氦中存在强相互作用超流体系，类似的体系也存在于中子星的地壳、宇宙大爆炸之初的夸克-胶子等离子体之中。因此，破译超流的物理性质参数，有望使我们对那些无法触及的物理现象有更多理解。
▲陈宇翱（左）与姚星灿（右）在超冷锂-镝原子量子模拟平台前探讨实验进展。
然而，科学家在几十年的研究中发现，动力学标度理论中的很多关键参数在液氦中非常难测，因为它的量子临界区非常狭窄，观测技术和设备远不足以精确地从中探测到所需参数，故而在液氦体系中很难再深入研究“第二声”现象。
新机遇出现
精确调控超冷原子，模拟复杂量子系统
科学家发现，“第二声”的传播和衰减与超流序参量直接耦合，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。
那么，除了液氦-4之外，还有没有其他的超流体系呢？超冷原子的出现，让物理学家们隐约看到了新的希望。由强相互作用极限下的超冷费米原子形成的超流体，具有极佳的纯净度与可控性，这为研究“第二声”的衰减带来了新机遇。
科学家经过坚持不懈的努力，终于在2005年前后确认了超冷原子体系中存在超流现象，又于2013年在该体系中测到了第二声波的存在。
在费米超流中研究“第二声”的衰减行为，不仅能回答“二流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题，还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。
这的确是一个机遇，但更是一个难度极高的国际前沿研究方向。罗翔告诉记者，之前有两个技术瓶颈难以突破：一是原子数不足，二是测量精度不够。实际上，超冷原子的温度本身已经接近绝对零度，只比绝对零度高千万分之一摄氏度，测温本就非常困难，而观测“第二声”则要探测温度波动所伴随的那一点点物质密度波动，更是难上加难。
该论文通讯作者之一、中科大教授陈宇翱认为，尽管困难重重，但这同时也是超冷原子量子模拟领域的一个重要目标——用人造的可精确操控的量子体系，来模拟复杂的量子系统，以发现复杂系统的物理规律。
陈宇翱进一步解释说，强相互作用的锂原子就是费米子，如果用锂原子来模拟朗道所预言的费米超流中的熵波，那么未来就可以把实验中所观测到的规律，推广到其他强相互作用的费米体系。比如，中子星就是一个强相互作用的费米体系。
经过长期艰苦努力，中科大潘建伟、姚星灿、陈宇翱等成功搭建起了超冷锂-镝原子量子模拟平台。作为量子模拟的一个应用，他们与澳大利亚科学家胡辉合作，开始挑战测量“第二声”的衰减率等关键参数。
▲来自中国的量子模拟重大突破 超冷锂-镝原子量子模拟平台实验系统（部分）
突破技术关
千万个原子中，探测“纳开级”温差
想要观测“第二声”的衰减，既要制备出高品质、密度均匀的费米超流，还要发展出探测微弱温度波动的方法。费米超流确立十几年来，这两项关键技术却一直未得到突破，因此无法对“第二声”的衰减率进行测定。
在过去四年多时间里，潘建伟研究团队不仅搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，还融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功实现了世界领先的均匀费米气体的制备。
该论文通讯作者之一、中科大教授姚星灿详细介绍了他们在费米超流制备上的主要突破。与早期冷原子实验只有几万个原子相比，他们所制备的超冷费米超流所包含的原子数达到了千万级，即约1000万个锂原子。
但这一超流体的实际大小只是一个肉眼几乎不可见的小颗粒，直径仅为百微米——1立方厘米的空气大约只有指甲盖大小，却包含有1千亿亿个气体分子。而1000万个超冷气态锂原子的密度只有空气的百万分之一。
▲磁光阱中的超冷锂原子团（约10亿个）
与此同时，研究团队对超冷原子体系温度的调控精度也达到了纳开尔文级别（十亿分之一开尔文，开尔文是热力学单位）。基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，他们通过实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。
在这一系列技术突破的基础之上，团队终于精确测得了“第二声”的衰减率。
获得衰减率
破译关键参数，后续研究已在路上
“第二声”实在太微弱了！罗翔一边回忆历时四年多的实验历程，一边向记者解释，在超冷锂-镝原子量子模拟体系中，第二声波伴随的气体原子波动，远比第一声波要微弱。在茫茫噪声中发现了隐隐约约的信号时，他深深吐出了一口憋在胸口好几年的气——终于感觉看到了希望，真是找了很久，他曾睡觉都担心，怕没法在毕业前测到它。
陈宇翱介绍，在这个实验中，他们精确测量了熵波或者说温度波的衰减率，并且发现衰减率只跟玻尔兹曼常数和普朗克常数有关。由此，他们准确推算测定了体系的热导率与粘滞系数。
研究结果还表明，强相互作用费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值。同时它还可用来证明，黏滞系数、热导率等输运系数都只是粒子数和温度的函数，与粒子间相互作用的具体形式无关。
此外，研究团队还成功观测到了熵波在量子临界区附近的发散行为，并高质量标定出了这个体系所拥有的量子临界区——它非常可观，比液氦体系大了100倍。姚星灿颇感自豪地说，这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，从而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。
未来，研究团队将对强相互作用费米超流的临界现象展开更深入的量子模拟研究。这不仅对人们理解和探索高温超导体等强关联费米系统有所帮助，还有望确定超流相变的普适临界函数。
作者：许琦敏
图源：中科大提供
责任编辑：任荃
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