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(cè)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(gè)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(xiàng)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(gè)范例。2月4日，該成果以長(zhǎng)文（research article）的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science上。
80多年前，朗道建立了兩流體理論，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。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，因此朗道又將其命名為第二聲（second sound）。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(zhǎng)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(gè)重要目標(biāo)。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，上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)卻一直未得到突破，因此無法對(duì)第二聲的衰減進(jìn)行研究。
在該項(xiàng)工作中，中國科大研究團(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)，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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(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。在取得上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)成功地在幺正費(fèi)米超流體的密度響應(yīng)中觀測(cè)到了第二聲的信號(hào)（如圖1（D）所示），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。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)獲得了第二聲的衰減率（聲擴(kuò)散系數(shù)），并以此準(zhǔn)確測(cè)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，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。此外，他們還在超流相變附近觀測(cè)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(gè)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)。
圖1.（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)。
Science雜志的審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià),稱該項(xiàng)工作“展示了令人驚嘆的，實(shí)驗(yàn)的杰作”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,...），“這是一篇極為出色的論文”（This is an extremely impressive paper...），“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑”（...this paper could be a milestone in quantum simulation...）。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省和上海市等的支持。
原文鏈接：
Li et al., Second sound attenuation near quantum criticality. Science375, 528–533 (2022).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
