量子模擬新突破：潘建偉團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到費(fèi)米超流中熵波臨界發(fā)散

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到費(fèi)米超流中的熵波臨界發(fā)散，《科學(xué)》雜志評(píng)價(jià)“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑”。

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)相互作用極限下的費(fèi)米超流體中，觀測(cè)到了熵波衰減的臨界發(fā)散行為。相關(guān)成果于2月4日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

這一重大實(shí)驗(yàn)突破有助于利用強(qiáng)相互作用費(fèi)米體系，開展進(jìn)一步量子模擬研究，并為理解該體系中的反常輸運(yùn)現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

圖片來自《科學(xué)》雜志網(wǎng)站

“第二聲”(second sound)

熱通常是通過擴(kuò)散傳播的，但在某些情況下它也能像聲音一樣以波的形式傳播。

80多年前，朗道建立了兩流體理論，成功解釋氦-4液體（強(qiáng)相互作用玻色體系）的超流現(xiàn)象，并預(yù)言熵或溫度會(huì)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(huì)逐漸衰減。朗道將其命名為“第二聲”（second sound）。

“第二聲”，是一種只存在于超流體中的獨(dú)特量子輸運(yùn)現(xiàn)象。超流是一種宏觀量子現(xiàn)象，超流現(xiàn)象指超流體可以沒有阻力（粘滯力）的流動(dòng)。

科學(xué)家曾在液氦和超冷原子體系中觀測(cè)到過熵波的“第二聲”傳遞現(xiàn)象，但其動(dòng)力學(xué)過程卻一直無法測(cè)量。

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。

尋找“第二聲”

如何測(cè)量“第二聲”的衰減在國際上一直是個(gè)棘手的問題。

由強(qiáng)相互作用極限下的超冷費(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(gè)重要目標(biāo)。

但想要觀測(cè)“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(cè)微弱溫度波動(dòng)的方法。盡管費(fèi)米超流已被實(shí)現(xiàn)近20年，但上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)一直未得到突破，因此國際上無法對(duì)“第二聲”的衰減進(jìn)行研究。

中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過4年多的艱苦攻關(guān)，搭建了一個(gè)全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)，融合發(fā)展了灰色黏團(tuán)與算法冷卻、盒型光勢(shì)阱等先進(jìn)的超冷原子調(diào)控技術(shù)，將約1000萬個(gè)強(qiáng)相互作用的費(fèi)米鋰原子冷卻到極低溫下（絕對(duì)零度附近），最終成功實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費(fèi)米氣體制備。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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)并理論詮釋了低動(dòng)量傳遞（約百分之五的費(fèi)米動(dòng)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(duì)體系密度響應(yīng)的高分辨測(cè)量。

在上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功在強(qiáng)相關(guān)費(fèi)米超流體中觀測(cè)到了“第二聲”的信號(hào)，并獲得了完整的密度響應(yīng)譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了朗道的理論預(yù)言，即溫度會(huì)以波動(dòng)的形式在超流體中傳播。

（A）裝置示意圖，（B）探測(cè)方案示意圖，（C）第一聲信號(hào)，（D）第二聲信號(hào)，圖片來自中科大

觀測(cè)“第二聲”

同時(shí)，中科大團(tuán)隊(duì)定量觀測(cè)了熵波傳播的動(dòng)力學(xué)過程，準(zhǔn)確測(cè)定該體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)，在國際上首次獲得熵波的衰減率。

據(jù)研究結(jié)果，強(qiáng)相關(guān)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，例如第二聲擴(kuò)散系數(shù)約為?/m，熱導(dǎo)率約為n?kB/m。這些極限值僅由約化普朗克（?）和玻爾茲曼常數(shù)（kB），粒子質(zhì)量m和密度n決定。

團(tuán)隊(duì)還在超流相變附近觀測(cè)到上述輸運(yùn)量的臨界發(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用費(fèi)米超流體具有一個(gè)可觀的臨界區(qū)，比液氦超流體的臨界區(qū)大約100倍。這一可觀的臨界區(qū)將有助于未來的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究，有利于對(duì)量子臨界區(qū)的物理現(xiàn)象，如輸運(yùn)系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，開展定量的量子模擬研究。

量子模擬的核心目標(biāo)就是利用精確可控的人造量子系統(tǒng)，對(duì)一些現(xiàn)實(shí)條件下難以操控的復(fù)雜量子系統(tǒng)的基本規(guī)律進(jìn)行有效模擬，從而解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的重要物理問題，為發(fā)現(xiàn)普適的物理規(guī)律提供思路和驗(yàn)證。

中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果不僅揭示了強(qiáng)相互作用費(fèi)米體系存在可觀的臨界區(qū)，并取得重要的動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)系數(shù)，為理解該體系的量子輸運(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(gè)范例。這一普適性的規(guī)律將有望推廣到其它強(qiáng)相互作用費(fèi)米子體系，如中子星、夸克膠子等離子體。

《科學(xué)》雜志審稿人對(duì)此做出高度評(píng)價(jià)，稱該項(xiàng)研究“展示了令人驚嘆的、實(shí)驗(yàn)的杰作”，“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑”。