熱量不僅會(huì)擴(kuò)散，在某些情況下，它還可能像聲波一樣，以波的形式傳播，被稱為“第二聲”。這神秘的“第二聲”一般不會(huì)出現(xiàn)在普通物質(zhì)中，只會(huì)出現(xiàn)在某些特殊物質(zhì)中，例如液氦超流。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次破譯了“第二聲”的衰減率，即聲擴(kuò)散系數(shù)。這是他們基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)獲得的結(jié)果，并依此準(zhǔn)確測(cè)定了費(fèi)米超流的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。

虎年第一周，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了這項(xiàng)來(lái)自中國(guó)的量子模擬重大突破。雜志審稿人稱該項(xiàng)工作“展示了令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)杰作”“是一篇極為出色的論文”“有望成為量子模擬領(lǐng)域的一座里程碑”。

神秘“第二聲”

發(fā)現(xiàn)80多年，諾獎(jiǎng)?lì)A(yù)言卻難以深入研究

什么是超流?超流就是粘滯性變成0的流體，這是一種宏觀量子現(xiàn)象。

舉個(gè)例子，因?yàn)橛姓硿缘拇嬖冢覀償嚢枰槐纬傻匿鰷u，會(huì)在停止攪拌后慢慢消失，水體恢復(fù)平靜。而超流體中的漩渦卻會(huì)永遠(yuǎn)停不下來(lái)。更神奇的是，裝到一個(gè)容器中的超流體，會(huì)自己“爬”出來(lái)。

1937年，蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查在液態(tài)氦-4中首次發(fā)現(xiàn)了超流現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)它具有一系列奇特性質(zhì)，如極高熱導(dǎo)率、粘滯性極小，可以克服重力沿容器壁向上攀升，還有“第二聲”現(xiàn)象等等。

上世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)科學(xué)家朗道建立了二流體理論，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(huì)以波的形式在超流中傳播。由于熵波(即溫度波)的性質(zhì)與傳統(tǒng)聲波(第一聲)類似，會(huì)在傳播過(guò)程中逐漸衰減，因此朗道又將其命名為“第二聲”。他本人也因此獲得了1962年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在研究液氦超流現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，人們建立了一個(gè)普適理論，叫做“動(dòng)力學(xué)標(biāo)度理論”，它對(duì)很多量子體系的相變都具有重要指導(dǎo)意義。該理論指出，許多不同體系的相變過(guò)程都遵從某些相同的普適函數(shù)。

此次論文的共同第一作者、中科大博士生羅翔解釋，液氦-4是一個(gè)強(qiáng)相互作用的超流費(fèi)米體系，同樣的體系也存在于中子星的地殼、宇宙大爆炸之初的夸克-膠子等離子體之中。因此，破譯超流的物理性質(zhì)參數(shù)，有望使我們對(duì)那些無(wú)法觸及的物理現(xiàn)象有更多理解。

然而，科學(xué)家在幾十年的研究中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力學(xué)標(biāo)度理論中的很多關(guān)鍵參數(shù)在液氦中非常難測(cè)，因?yàn)樗牧孔优R界區(qū)非常狹窄，觀測(cè)技術(shù)和設(shè)備遠(yuǎn)不足以精確地從中探測(cè)到所需參數(shù)，故而在液氦體系中很難再深入研究“第二聲”現(xiàn)象。

新機(jī)遇出現(xiàn)

精確調(diào)控超冷原子，模擬復(fù)雜量子系統(tǒng)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“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。

那么，除了液氦-4之外，還有沒有其他的超流體系呢?超冷原子的出現(xiàn)，讓物理學(xué)家們隱約看到了新的希望。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，這為研究“第二聲”的衰減帶來(lái)了新機(jī)遇。

科學(xué)家經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，終于在2005年前后確認(rèn)了超冷原子體系中存在超流現(xiàn)象，又于2013年在該體系中測(cè)到了第二聲波的存在。

在費(fèi)米超流中研究“第二聲”的衰減行為，不僅能回答“二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(zhǎng)期存在的問(wèn)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。

這的確是一個(gè)機(jī)遇，但更是一個(gè)難度極高的國(guó)際前沿研究方向。羅翔告訴記者，之前有兩個(gè)技術(shù)瓶頸難以突破：一是原子數(shù)不足，二是測(cè)量精度不夠。實(shí)際上，超冷原子的溫度本身已經(jīng)接近絕對(duì)零度，只比絕對(duì)零度高千萬(wàn)分之一攝氏度，測(cè)溫本就非常困難，而觀測(cè)“第二聲”則要探測(cè)溫度波動(dòng)所伴隨的那一點(diǎn)點(diǎn)物質(zhì)密度波動(dòng)，更是難上加難。

該論文通訊作者之一、中科大教授陳宇翱認(rèn)為，盡管困難重重，但這同時(shí)也是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)——用人造的可精確操控的量子體系，來(lái)模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的物理規(guī)律。

陳宇翱進(jìn)一步解釋說(shuō)，強(qiáng)相互作用的鋰原子就是費(fèi)米子，如果用鋰原子來(lái)模擬朗道所預(yù)言的費(fèi)米超流中的熵波，那么未來(lái)就可以把實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的規(guī)律，推廣到其他強(qiáng)相互作用的費(fèi)米體系。比如，中子星就是一個(gè)強(qiáng)相互作用的費(fèi)米體系。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期艱苦努力，中科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等成功搭建起了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)。作為量子模擬的一個(gè)應(yīng)用，他們與澳大利亞科學(xué)家胡輝合作，開始挑戰(zhàn)測(cè)量“第二聲”的衰減率等關(guān)鍵參數(shù)。

突破技術(shù)關(guān)

千萬(wàn)個(gè)原子中，探測(cè)“納開級(jí)”溫差

想要觀測(cè)“第二聲”的衰減，既要制備出高品質(zhì)、密度均勻的費(fèi)米超流，還要發(fā)展出探測(cè)微弱溫度波動(dòng)的方法。費(fèi)米超流確立十幾年來(lái)，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)卻一直未得到突破，因此無(wú)法對(duì)“第二聲”的衰減率進(jìn)行測(cè)定。

在過(guò)去四年多時(shí)間里，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)不僅搭建了一個(gè)全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)，還融合發(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)，最終成功實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費(fèi)米氣體的制備。

該論文通訊作者之一、中科大教授姚星燦詳細(xì)介紹了他們?cè)谫M(fèi)米超流制備上的主要突破。與早期冷原子實(shí)驗(yàn)只有幾萬(wàn)個(gè)原子相比，他們所制備的超冷費(fèi)米超流所包含的原子數(shù)達(dá)到了千萬(wàn)級(jí)，即約1000萬(wàn)個(gè)鋰原子。

但這一超流體的實(shí)際大小只是一個(gè)肉眼幾乎不可見的小顆粒，直徑僅為百微米——1立方厘米的空氣大約只有指甲蓋大小，卻包含有1千億億個(gè)氣體分子。而1000萬(wàn)個(gè)超冷氣態(tài)鋰原子的密度只有空氣的百萬(wàn)分之一。

與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)超冷原子體系溫度的調(diào)控精度也達(dá)到了納開爾文級(jí)別(十億分之一開爾文，開爾文是熱力學(xué)單位)?；诘驮肼曅胁ü饩Ц衽c高分辨原位成像技術(shù)，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并理論詮釋了低動(dòng)量傳遞(約百分之五費(fèi)米動(dòng)量)與高能量分辨率(優(yōu)于千分之一費(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。

在這一系列技術(shù)突破的基礎(chǔ)之上，團(tuán)隊(duì)終于精確測(cè)得了“第二聲”的衰減率。

獲得衰減率

破譯關(guān)鍵參數(shù)，后續(xù)研究已在路上

“第二聲”實(shí)在太微弱了!羅翔一邊回憶歷時(shí)四年多的實(shí)驗(yàn)歷程，一邊向記者解釋，在超冷鋰-鏑原子量子模擬體系中，第二聲波伴隨的氣體原子波動(dòng)，遠(yuǎn)比第一聲波要微弱。在茫茫噪聲中發(fā)現(xiàn)了隱隱約約的信號(hào)時(shí)，他深深吐出了一口憋在胸口好幾年的氣——終于感覺看到了希望，真是找了很久，他曾睡覺都擔(dān)心，怕沒法在畢業(yè)前測(cè)到它。

陳宇翱介紹，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們精確測(cè)量了熵波或者說(shuō)溫度波的衰減率，并且發(fā)現(xiàn)衰減率只跟玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)有關(guān)。由此，他們準(zhǔn)確推算測(cè)定了體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。

研究結(jié)果還表明，強(qiáng)相互作用費(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。同時(shí)它還可用來(lái)證明，黏滯系數(shù)、熱導(dǎo)率等輸運(yùn)系數(shù)都只是粒子數(shù)和溫度的函數(shù)，與粒子間相互作用的具體形式無(wú)關(guān)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還成功觀測(cè)到了熵波在量子臨界區(qū)附近的發(fā)散行為，并高質(zhì)量標(biāo)定出了這個(gè)體系所擁有的量子臨界區(qū)——它非常可觀，比液氦體系大了100倍。姚星燦頗感自豪地說(shuō)，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)。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將對(duì)強(qiáng)相互作用費(fèi)米超流的臨界現(xiàn)象展開更深入的量子模擬研究。這不僅對(duì)人們理解和探索高溫超導(dǎo)體等強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米系統(tǒng)有所幫助，還有望確定超流相變的普適臨界函數(shù)。

關(guān)鍵詞： 中國(guó)科學(xué)家 神秘 破譯 量子