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,首次在處於强相互作用(么正)極限下的費米超流體中觀測到了熵波衰减的臨界發散行為,揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區,並獲得了熱導率與粘滯係數等重要的輸運係數。該項工作為理解强相互作用費米體系的量子輸運現象提供了重要的實驗資訊,是利用量子類比解决重要物理問題的一個範例。2月4日,該成果以長文(research article)的形式發表在國際權威學術期刊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(强相互作用玻色體系)的超流現象,並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减,囙此朗道又將其命名為第二聲(second sound)。第二聲的傳播和衰减與超流序參量直接耦合,是一種只存在於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减行為,不僅能回答“兩流體理論能否描述强相互作用費米超流的低能物理”這一長期存在的問題,還能表徵强相互作用費米體系在超流相變處的臨界輸運現象。
由强相互作用(么正)極限下的超冷費米原子形成的超流體具有極佳的純淨度與可控性,為研究第二聲的衰减帶來了全新的機遇,這也是超冷原子量子類比領域的一個重要目標。想要觀測第二聲的衰减,不僅需要製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。儘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,囙此無法對第二聲的衰减進行研究。
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-鏑原子量子類比平臺,融合發展了灰色黏團與算灋冷卻、盒型光勢阱等先進的超冷原子調控科技,最終成功地實現了世界領先的均勻費米氣體的製備;與此同時,研究團隊還基於低雜訊行波光晶格與高分辨原位成像科技,實驗實現並理論詮釋了低動量傳遞(約百分之五的費米動量)與高能量分辯率(優於千分之一的費米能)的布拉格譜學方法,並利用其實現了對體系密度響應的高分辨量測。在取得上述兩項關鍵技術突破的基礎上,研究團隊成功地在么正費米超流體的密度響應中觀測到了第二聲的訊號(如圖1(D)所示),並獲得了完整的么正費米超流體的密度響應譜,實驗結果與基於耗散兩流體理論的描述高度吻合。
進一步地,研究團隊獲得了第二聲的衰减率(聲擴散係數),並以此準確測定了體系的熱導率與粘滯係數。研究結果表明,么正費米超流體的輸運係數均達到了普適的量子力學極限值,例如第二聲擴散係數約為ℏ/m,熱導率約為nℏkB/m。這些極限值僅由約化普朗克(ℏ)和玻爾茲曼常數(kB),粒子質量m和密度n决定。此外,他們還在超流相變附近觀測到了上述輸運量的臨界發散行為,並發現么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類比研究,從而理解强關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。
圖1.(A)裝置示意圖。(B)探測方案示意圖。(C)第一聲訊號。(D)第二聲訊號。
Science雜誌的審稿人對該工作給予了高度評價,稱該項工作“展示了令人驚歎的,實驗的傑作”(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類比領域的一項里程碑”(…this paper could be a milestone in quantum simulation…)。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省和上海市等的支持。
原文連結:
Li et al.,Second sound attenuation near quantum criticality.Science375,528–533(2022).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480