《科学》|量子模拟获重大突破 首测费米超流第二声

冬奥开幕当天，Science 发表中国科大量子模拟重大突破：潘建伟、姚星灿、陈宇翱团队基于超冷锂-镝原子量子模拟平台，首次测得第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。

热是怎么传播的？通常是通过扩散，即从近到远温度逐渐降低。然而，在某些情况下它也可能以波动的形式传播，很像声波。因此，这种现象被称为第二声，相对的普通声波被称为第一声。第二声不会出现在普通物质中，只会出现在某些特殊的物质中，例如超流的氦。

超流就是粘滞性变成0的流体，是一种宏观量子现象。例如，装在一个开口杯子中的超流体可以自发地爬出来。又如普通的液体中如果产生一个旋涡，它会逐渐消失，而超流体中的旋涡却不会衰减，会永远存在下去。

通过在液氦中测量第二声及其相关的热输运现象，人们建立了一个普适的理论，叫做动力学标度理论（dynamical scaling theory）。这个理论对许多量子体系的相变都有重要的指导意义，例如高温超导，因为这个理论指出许多不同体系的相变过程都遵从相同的某些普适函数。然而，在液氦中很难把这些普适函数测准，因为它的临界区域很窄，操控性也很有限。通过液氦人们发现了第二声这种现象，但难以深入。

中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚科学家胡辉合作，首次在处于强相互作用（幺正）极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区，并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。该项工作为理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月4日，该成果以长文（research article）的形式发表在国际权威学术期刊Science上。

80多年前，朗道建立了两流体理论，成功解释了氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。熵波的性质与传统声波类似，它在传播过程中会逐渐衰减，因此朗道又将其命名为第二声（second sound）。第二声的传播和衰减与超流序参量直接耦合，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。在费米超流中研究第二声的衰减行为，不仅能回答“两流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题，还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。

由强相互作用（幺正）极限下的超冷费米原子形成的超流体具有极佳的纯净度与可控性，为研究第二声的衰减带来了全新的机遇，这也是超冷原子量子模拟领域的一个重要目标。想要观测第二声的衰减，不仅需要制备高品质的密度均匀费米超流，还需要发展探测微弱温度波动的方法。尽管费米超流已被实现近20年，上述两项关键技术却一直未得到突破，因此无法对第二声的衰减进行研究。

图1.（A）装置示意图。（B）探测方案示意图。

（C）第一声信号。（D）第二声信号。

在该项工作中，中国科大研究团队经过4年多的艰苦攻关，搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功地实现了世界领先的均匀费米气体的制备；与此同时，研究团队还基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五的费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一的费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。在取得上述两项关键技术突破的基础上，研究团队成功地在幺正费米超流体的密度响应中观测到了第二声的信号（如图1（D）所示），并获得了完整的幺正费米超流体的密度响应谱，实验结果与基于耗散两流体理论的描述高度吻合。

进一步地，研究团队获得了第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。研究结果表明，幺正费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值。此外，他们还在超流相变附近观测到了上述输运量的临界发散行为，并发现幺正费米超流体具有一个可观的临界区（比液氦超流体临界区大约100倍）。这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，从而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。

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Science杂志的审稿人对该工作给予了高度评价,称该项工作“展示了令人惊叹的实验的杰作”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,...），“这是一篇极为出色的论文”（This is an extremely impressive paper...），“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”（...this paper could be a milestone in quantum simulation...）。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的支持。

原文链接：

Li et al., Second sound attenuation near quantum criticality. Science375, 528–533 (2022).

https://www.网址未加载/doi/10.1126/science.abi4480

本期编辑：刘雨嫣

视频剪辑：文韵琪