量子模擬重大突破 我科學(xué)家首次測得第二聲衰減率
◎本報記者 吳長鋒
記者2月7日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(tuán)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(kuò)散系數(shù))，并以此準(zhǔn)確測定了體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。
熱是怎么傳播的？通常是通過擴(kuò)散，即從近到遠(yuǎn)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(qiáng)相互作用玻色體系)的超流現(xiàn)象，并預(yù)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(yuǎn)存在下去。
通過在液氦中測量第二聲及其相關(guān)的熱輸運(yùn)現(xiàn)象，人們建立了一個普適的理論，叫作動力學(xué)標(biāo)度理論。這個理論對許多量子體系的相變都有重要的指導(dǎo)意義，例如高溫超導(dǎo)，因?yàn)檫@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(zhǔn)，因?yàn)樗呐R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(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、姚星燦、陳宇翱等與澳大利亞科學(xué)家胡輝合作，首次在處于強(qiáng)相互作用(幺正)極限下的費(fèi)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(dǎo)率與粘滯系數(shù)等重要的輸運(yùn)系數(shù)。該項工作為理解強(qiáng)相互作用費(fèi)米體系的量子輸運(yùn)現(xiàn)象提供了重要的實(shí)驗(yàn)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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(dú)特量子輸運(yùn)現(xiàn)象。在費(fèi)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(qiáng)相互作用費(fèi)米超流的低能物理”這一長期存在的問題，還能表征強(qiáng)相互作用費(fèi)米體系在超流相變處的臨界輸運(yùn)現(xiàn)象。
由強(qiáng)相互作用(幺正)極限下的超冷費(fèi)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(jī)遇，這也是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的一個重要目標(biāo)。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(fèi)米超流，還需要發(fā)展探測微弱溫度波動的方法。盡管費(fèi)米超流已被實(shí)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(jìn)行研究。
在該項工作中，中國科大研究團(tuán)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(tuán)與算法冷卻、盒型光勢阱等先進(jìn)的超冷原子調(diào)控技術(shù)，最終成功地實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費(fèi)米氣體的制備。
與此同時，研究團(tuán)隊還基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術(shù)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并理論詮釋了低動量傳遞(約百分之五的費(fèi)米動量)與高能量分辨率(優(yōu)于千分之一的費(fèi)米能)的布拉格譜學(xué)方法，并利用其實(shí)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(tuán)隊成功地在幺正費(fèi)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(fèi)米超流體的密度響應(yīng)譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于耗散兩流體理論的描述高度吻合。
研究團(tuán)隊還進(jìn)一步地獲得了第二聲的衰減率(聲擴(kuò)散系數(shù))，并以此準(zhǔn)確測定了體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。研究結(jié)果表明，幺正費(fèi)米超流體的輸運(yùn)系數(shù)均達(dá)到了普適的量子力學(xué)極限值。
此外，他們在超流相變附近觀測到了上述輸運(yùn)量的臨界發(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)幺正費(fèi)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(jìn)一步的量子模擬研究，從而理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米體系中的反常輸運(yùn)現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。
《科學(xué)》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(shí)驗(yàn)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”。