Science 發表中國科大潘建偉等人量子模擬重大突破

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冬奧開幕當天，Science 發表中國科大量子模擬重大突破：潘建偉、姚星燦、陳宇翱團隊基於超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，首次測得第二聲的衰減率（聲擴散係數），並以此準確測定了體系的熱導率與粘滯係數。

熱是怎麼傳播的？通常是通過擴散，即從近到遠溫度逐漸降低。然而，在某些情況下它也可能以波動的形式傳播，很像聲波。因此，這種現象被稱爲第二聲，相對的普通聲波被稱爲第一聲。第二聲不會出現在普通物質中，只會出現在某些特殊的物質中，例如超流的氦。

超流就是粘滯性變成0的流體，是一種宏觀量子現象。例如，裝在一個開口杯子中的超流體可以自發地爬出來。又如普通的液體中如果產生一個旋渦，它會逐漸消失，而超流體中的旋渦卻不會衰減，會永遠存在下去。

通過在液氦中測量第二聲及其相關的熱輸運現象，人們建立了一個普適的理論，叫做動力學標度理論（dynamical scaling theory）。這個理論對許多量子體系的相變都有重要的指導意義，例如高溫超導，因爲這個理論指出許多不同體系的相變過程都遵從相同的某些普適函數。然而，在液氦中很難把這些普適函數測準，因爲它的臨界區域很窄，操控性也很有限。通過液氦人們發現了第二聲這種現象，但難以深入。

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，首次在處於強相互作用（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爲，揭示了該體系存在着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。該項工作爲理解強相互作用費米體系的量子輸運現象提供了重要的實驗信息，是利用量子模擬解決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（強相互作用玻色體系）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減，因此朗道又將其命名爲第二聲（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減行爲，不僅能回答“兩流體理論能否描述強相互作用費米超流的低能物理”這一長期存在的問題，還能表徵強相互作用費米體系在超流相變處的臨界輸運現象。

由強相互作用（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，爲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擬領域的一個重要目標。想要觀測第二聲的衰減，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，因此無法對第二聲的衰減進行研究。

圖1.（A）裝置示意圖。（B）探測方案示意圖。

（C）第一聲信號。（D）第二聲信號。

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-鏑原子量子模擬平臺，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，研究團隊還基於低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，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）與高能量分辨率（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號（如圖1（D）所示），並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減率（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，幺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。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爲，並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）。這一發現爲利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。

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,...），“這是一篇極爲出色的論文”（This is an extremely impressive paper...），“該工作有望成爲量子模擬領域的一項里程碑”（...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。

原文鏈接：

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

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480

來源：中國科學技術大學