量子模擬重大突破 我科學家首次測得第二聲衰減率

文／吳長鋒

記者2月7日從中國科學技術(shù)大學了解到，中國科大在量子模擬領(lǐng)域獲重大突破——潘建偉、姚星燦、陳宇翱團隊基于超冷鋰—鏑原子量子模擬平臺，首次測得第二聲的衰減率（聲擴散系數(shù)），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數(shù)。

熱是怎么傳播的？通常是通過擴散，即從近到遠溫度逐漸降低。然而，在某些情況下它也可能以波動的形式傳播，很像聲波。這就是80多年前朗道建立的兩流體理論，該理論成功解釋了氦-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。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，因此朗道又將其命名為第二聲（Second Sound）。相對的，普通聲波被稱為第一聲。

第二聲不會出現(xiàn)在普通物質(zhì)中，只會出現(xiàn)在某些特殊的物質(zhì)中，例如超流的氦。而超流就是粘滯性變成零的流體，是一種宏觀量子現(xiàn)象。例如，裝在一個開口杯子中的超流體可以自發(fā)地爬出來。又比如，普通的液體中如果產(chǎn)生一個旋渦，它會逐漸消失，而超流體中的旋渦卻不會衰減，會永遠存在下去。

通過在液氦中測量第二聲及其相關(guān)的熱輸運現(xiàn)象，人們建立了一個普適的理論，叫作動力學標度理論。這個理論對許多量子體系的相變都有重要的指導意義，例如高溫超導，因為這個理論指出，許多不同體系的相變過程都遵從相同的某些普適函數(shù)。然而，在液氦中很難把這些普適函數(shù)測準，因為它的臨界區(qū)域很窄，操控性也很有限。通過液氦人們發(fā)現(xiàn)了第二聲這種現(xiàn)象，但難以深入。

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（幺正）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，揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區(qū)，并獲得了熱導率與粘滯系數(shù)等重要的輸運系數(shù)。該項工作為理解強相互作用費米體系的量子輸運現(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。2月4日，該成果以長文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》上。

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。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。

由強相互作用（幺正）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。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，上述兩項關(guān)鍵技術(shù)卻一直未得到突破，因此無法對第二聲的衰減進行研究。

在該項工作中，中國科大研究團隊經(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)，最終成功地實現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費米氣體的制備。

與此同時，研究團隊還基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術(shù)，實驗實現(xiàn)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(yīng)的高分辨測量。在取得上述兩項關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團隊成功地在幺正費米超流體的密度響應(yīng)中觀測到了第二聲的信號，并獲得了完整的幺正費米超流體的密度響應(yīng)譜，實驗結(jié)果與基于耗散兩流體理論的描述高度吻合。

研究團隊還進一步地獲得了第二聲的衰減率（聲擴散系數(shù)），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數(shù)。研究結(jié)果表明，幺正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。

此外，他們在超流相變附近觀測到了上述輸運量的臨界發(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)幺正費米超流體具有一個可觀的臨界區(qū)（比液氦超流體臨界區(qū)大約100倍）。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)。

《科學》雜志審稿人對該工作給予了高度評價，稱該項工作“展示了令人驚嘆的實驗的杰作”“這是一篇極為出色的論文”“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項里程碑”。