近期，中國科學技術大學潘建偉院士團隊首次觀測到費米超流中的熵波臨界發散，《科學》雜志評價“該工作有望成為量子模拟領域的一項裡程碑”。
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。相關成果于2月4日發表在《科學》雜志上。
這一重大實驗突破有助于利用強互相作用費米體系，開展進一步量子模拟研究，并為了解該體系中的反常輸運現象奠定了基礎。
圖檔來自《科學》雜志網站
“第二聲”(second sound)
熱通常是通過擴散傳播的，但在某些情況下它也能像聲音一樣以波的形式傳播。
80多年前，朗道建立了兩流體理論，成功解釋氦-4液體（強互相作用玻色體系）的超流現象，并預言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。朗道将其命名為“第二聲”（second sound）。
“第二聲”，是一種隻存在于超流體中的獨特量子輸運現象。超流是一種宏觀量子現象，超流現象指超流體可以沒有阻力（粘滞力）的流動。
科學家曾在液氦和超冷原子體系中觀測到過熵波的“第二聲”傳遞現象，但其動力學過程卻一直無法測量。
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。
尋找“第二聲”
如何測量“第二聲”的衰減在國際上一直是個棘手的問題。
由強互相作用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。
但想要觀測“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，但上述兩項關鍵技術一直未得到突破，是以國際上無法對“第二聲”的衰減進行研究。
中科大潘建偉團隊經過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，将約1000萬個強互相作用的費米锂原子冷卻到極低溫下（絕對零度附近），最終成功實作了世界領先的均勻費米氣體制備。
與此同時，團隊基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，實驗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。
在上述兩項關鍵技術突破的基礎上，團隊成功在強相關費米超流體中觀測到了“第二聲”的信号，并獲得了完整的密度響應譜。實驗結果驗證了朗道的理論預言，即溫度會以波動的形式在超流體中傳播。
（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，圖檔來自中科大
觀測“第二聲”
同時，中科大團隊定量觀測了熵波傳播的動力學過程，準确測定該體系的熱導率與粘滞系數，在國際上首次獲得熵波的衰減率。
據研究結果，強相關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。
團隊還在超流相變附近觀測到上述輸運量的臨界發散行為，并發現強互相作用費米超流體具有一個可觀的臨界區，比液氦超流體的臨界區大約100倍。這一可觀的臨界區将有助于未來的系統性實驗研究，有利于對量子臨界區的實體現象，如輸運系數随溫度的變化規律，開展定量的量子模拟研究。
量子模拟的核心目标就是利用精确可控的人造量子系統，對一些現實條件下難以操控的複雜量子系統的基本規律進行有效模拟，進而解決經典計算機無法解決的重要實體問題，為發現普适的實體規律提供思路和驗證。
中科大潘建偉團隊的研究成果不僅揭示了強互相作用費米體系存在可觀的臨界區，并取得重要的動力學輸運系數，為了解該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。這一普适性的規律将有望推廣到其它強互相作用費米子體系，如中子星、誇克膠子等離子體。
《科學》雜志審稿人對此做出高度評價，稱該項研究“展示了令人驚歎的、實驗的傑作”，“該工作有望成為量子模拟領域的一項裡程碑”。