量子模拟新突破：潘建伟团队首次观测到费米超流中熵波临界发散

近期，中国科学技术大学潘建伟院士团队首次观测到费米超流中的熵波临界发散，《科学》杂志评价“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”。

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。相关成果于2月4日发表在《科学》杂志上。

这一重大实验突破有助于利用强相互作用费米体系，开展进一步量子模拟研究，并为理解该体系中的反常输运现象奠定了基础。

图片来自《科学》杂志网站

“第二声”(second sound)

热通常是通过扩散传播的，但在某些情况下它也能像声音一样以波的形式传播。

80多年前，朗道建立了两流体理论，成功解释氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言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。朗道将其命名为“第二声”（second sound）。

“第二声”，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。超流是一种宏观量子现象，超流现象指超流体可以没有阻力（粘滞力）的流动。

科学家曾在液氦和超冷原子体系中观测到过熵波的“第二声”传递现象，但其动力学过程却一直无法测量。

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。

寻找“第二声”

如何测量“第二声”的衰减在国际上一直是个棘手的问题。

由强相互作用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。

但想要观测“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，但上述两项关键技术一直未得到突破，因此国际上无法对“第二声”的衰减进行研究。

中科大潘建伟团队经过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，将约1000万个强相互作用的费米锂原子冷却到极低温下（绝对零度附近），最终成功实现了世界领先的均匀费米气体制备。

与此同时，团队基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验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。

在上述两项关键技术突破的基础上，团队成功在强相关费米超流体中观测到了“第二声”的信号，并获得了完整的密度响应谱。实验结果验证了朗道的理论预言，即温度会以波动的形式在超流体中传播。

（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，图片来自中科大

观测“第二声”

同时，中科大团队定量观测了熵波传播的动力学过程，准确测定该体系的热导率与粘滞系数，在国际上首次获得熵波的衰减率。

据研究结果，强相关费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值，例如第二声扩散系数约为ℏ/m，热导率约为nℏkB/m。这些极限值仅由约化普朗克（ℏ）和玻尔兹曼常数（kB），粒子质量m和密度n决定。

团队还在超流相变附近观测到上述输运量的临界发散行为，并发现强相互作用费米超流体具有一个可观的临界区，比液氦超流体的临界区大约100倍。这一可观的临界区将有助于未来的系统性实验研究，有利于对量子临界区的物理现象，如输运系数随温度的变化规律，开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统，对一些现实条件下难以操控的复杂量子系统的基本规律进行有效模拟，从而解决经典计算机无法解决的重要物理问题，为发现普适的物理规律提供思路和验证。

中科大潘建伟团队的研究成果不仅揭示了强相互作用费米体系存在可观的临界区，并取得重要的动力学输运系数，为理解该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。这一普适性的规律将有望推广到其它强相互作用费米子体系，如中子星、夸克胶子等离子体。

《科学》杂志审稿人对此做出高度评价，称该项研究“展示了令人惊叹的、实验的杰作”，“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”。