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日從中國科學技術大學了解到，中國科大在量子模擬領域獲重大突破——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），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數。

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。熵波的性質與傳統聲波類似，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。

第二聲不會出現在普通物質中，只會出現在某些特殊的物質中，例如超流的氦。而超流就是粘滯性變成零的流體，是一種宏觀量子現象。例如，裝在一個開口杯子中的超流體可以自發地爬出來。又比如，普通的液體中如果產生一個旋渦，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的熱輸運現象，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。然而，在液氦中很難把這些普適函數測準，因為它的臨界區域很窄，操控性也很有限。通過液氦人們發現了第二聲這種現象，但難以深入。

中國科學技術大學潘建偉、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散行為，揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區，并獲得了熱導率與粘滯系數等重要的輸運系數。該項工作為理解強相互作用費米體系的量子輸運現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表在國際權威學術期刊《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的密度均勻費米超流，還需要發展探測微弱溫度波動的方法。盡管費米超流已被實現近20年，上述兩項關鍵技術卻一直未得到突破，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過4年多的艱苦攻關，搭建了一個全新的超冷鋰—鏑原子量子模擬平臺，融合發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控技術，最終成功地實現了世界領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，實驗實現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（優于千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，并利用其實現了對體系密度響應的高分辨測量。在取得上述兩項關鍵技術突破的基礎上，研究團隊成功地在幺正費米超流體的密度響應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譜，實驗結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），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數。研究結果表明，幺正費米超流體的輸運系數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散行為，并發現幺正費米超流體具有一個可觀的臨界區（比液氦超流體臨界區大約100倍）。這一發現為利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。

《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域的一項里程碑”。