我國科學(xué)家量子模擬研究取得重大突破——首次觀測到費米超流中的熵波臨界發(fā)散

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊等與澳大利亞科研團(tuán)隊合作，首次在處于強(qiáng)相互作用極限下的費米超流體中觀測到了熵波衰減的臨界發(fā)散行為，揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區(qū)，并獲得了熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)等重要的輸運系數(shù)。

該項工作為理解強(qiáng)相互作用費米體系的量子輸運現(xiàn)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范例。這一成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表，為利用該體系開展進(jìn)一步的量子模擬研究，從而理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)費米體系中的反常輸運現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

80多年前，朗道建立了兩流體理論，并預(yù)言了熵或溫度會以波的形式在超流中傳播，這種傳播他命名為第二聲（second sound）。這種現(xiàn)象只在超流體中會發(fā)生【超導(dǎo)現(xiàn)象是指電流可以沒有阻力（電阻）的在超導(dǎo)體中流動，而類似的，超流現(xiàn)象指的就是超流體可以沒有阻力（粘滯力）的流動】，超流是一種宏觀量子現(xiàn)象，從前在包括液氦和超冷原子體系中都觀測到過熵波的第二聲傳遞現(xiàn)象，但是傳遞的動力學(xué)過程一直沒有辦法測量。

量子模擬的核心目標(biāo)就是利用精確可控的人造量子系統(tǒng)對一些在現(xiàn)實條件下難以操控的復(fù)雜量子多體系統(tǒng)的基本規(guī)律進(jìn)行有效模擬，從而對經(jīng)典計算機(jī)無法解決的重要物理問題進(jìn)行高效求解，為發(fā)現(xiàn)普適的物理規(guī)律提供思路和驗證。

科研團(tuán)隊介紹，這個工作首先實現(xiàn)了一個具有代表性的人造量子系統(tǒng)的精確制備：約1000萬個強(qiáng)相互作用的費米鋰原子被冷卻到極低溫下（絕對零度附近），此時他們形成了一種奇特的宏觀量子物態(tài)——費米超流體。

進(jìn)一步的，科研人員實現(xiàn)了對費米超流體各項參數(shù)的精確測控，研究了熵或者溫度是如何在費米超流體中進(jìn)行傳遞的，這樣一個物理問題。實驗結(jié)果除了驗證了朗道的理論預(yù)言，即溫度會以波動的形式在超流體中傳播，還定量地觀測了熵波傳播的動力學(xué)過程，首次獲得了熵波的衰減率。

據(jù)了解，理解強(qiáng)相互作用的費米子體系的基本規(guī)律是物理學(xué)（包括天文物理、凝聚態(tài)物理、高能物理、原子分子物理）研究中最為重要的一個科學(xué)問題之一。此次科研成果首次獲得了強(qiáng)相互作用費米超流的動力學(xué)輸運系數(shù)，可以對費米超流在低能下的動力學(xué)行為進(jìn)行全面的表征。這樣一個普適性的規(guī)律將有望被推廣到其他的強(qiáng)相互作用的費米子體系，比如中子星，夸克膠子等離子體等。

此外，科研團(tuán)隊還觀測到了熵波的衰減率和熱導(dǎo)率在超流相變附近的臨界發(fā)散現(xiàn)象，并由此得到了一個令人激動的實驗結(jié)果——超冷原子費米超流的相變臨界區(qū)比液氦超流的相變臨界區(qū)大了約100倍（臨界區(qū)太小，意味著無法進(jìn)行系統(tǒng)性的實驗研究）。

這個發(fā)現(xiàn)意味著可以對量子臨界區(qū)的物理現(xiàn)象，如輸運系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，開展定量的量子模擬研究，為理解強(qiáng)相互作用費米體系的反常量子輸運現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

《科學(xué)》雜志的審稿人對該工作給予了高度評價,稱該項工作“展示了令人驚嘆的，實驗的杰作”，“這是一篇極為出色的論文”，“該工作有望成為量子模擬領(lǐng)域的一項里程碑”。

（總臺央視記者 帥俊全）

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