IT之家 2 月 7 日消息，據中國科大官網，中國科學技術大學潘建偉、姚星燦、陳宇翺等與澳洲科學家胡輝合作，首次在處于強互相作用（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，揭示了該體系存在着一個可觀的相變臨界區，并獲得了熱導率與粘滞系數等重要的輸運系數。該項工作為了解強互相作用費米體系的量子輸運現象提供了重要的實驗資訊，是利用量子模拟解決重要實體問題的一個範例。
IT之家了解到，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。
據介紹，80 多年前，朗道建立了兩流體理論，成功解釋了氦-4 液體（強互相作用玻色體系）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，是以朗道又将其命名為第二聲（second sound）。第二聲的傳播和衰減與超流序參量直接耦合，是一種隻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互相作用費米超流的低能實體”這一長期存在的問題，還能表征強互相作用費米體系在超流相變處的臨界輸運現象。
由強互相作用（幺正）極限下的超冷費米原子形成的超流體具有極佳的純淨度與可控性，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拟領域的一個重要目标。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作近 20 年，上述兩項關鍵技術卻一直未得到突破，是以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锂-镝原子量子模拟平台，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，最終成功地實作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，實驗實作并理論诠釋了低動量傳遞（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，并利用其實作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号（如圖 1（D）所示），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。
進一步地，研究團隊獲得了第二聲的衰減率（聲擴散系數），并以此準确測定了體系的熱導率與粘滞系數。研究結果表明，幺正費米超流體的輸運系數均達到了普适的量子力學極限值，例如第二聲擴散系數約為 /m，熱導率約為 n kB / m。這些極限值僅由約化普朗克（ ）和玻爾茲曼常數（kB），粒子品質 m 和密度 n 決定。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，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拟研究，進而了解強關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。
▲ 圖（A）裝置示意圖。（B）探測方案示意圖。（C）第一聲信号。（D）第二聲信号 | 圖源：中國科大官網
原文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480