近日，中國科學技術大學潘建偉院士團隊等與澳大利亞科研團隊合作，首次在處于強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散行為，揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區，并獲得了熱導率與粘滯系數等重要的輸運系數。
該項工作為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范例。這一成果日前在國際學術期刊《科學》上發表，為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。
80多年前，朗道建立了兩流體理論，并預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）。這種現象只在超流體中會發生【超導現象是指電流可以沒有阻力（電阻）的在超導體中流動，而類似的，超流現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象，但是傳遞的動力學過程一直沒有辦法測量。
量子模擬的核心目標就是利用精確可控的人造量子系統對一些在現實條件下難以操控的復雜量子多體系統的基本規律進行有效模擬，從而對經典計算機無法解決的重要物理問題進行高效求解，為發現普適的物理規律提供思路和驗證。
科研團隊介紹，這個工作首先實現了一個具有代表性的人造量子系統的精確制備：約1000萬個強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——費米超流體。
進一步的，科研人員實現了對費米超流體各項參數的精確測控，研究了熵或者溫度是如何在費米超流體中進行傳遞的，這樣一個物理問題。實驗結果除了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，還定量地觀測了熵波傳播的動力學過程，首次獲得了熵波的衰減率。
據了解，理解強相互作用的費米子體系的基本規律是物理學（包括天文物理、凝聚態物理、高能物理、原子分子物理）研究中最為重要的一個科學問題之一。此次科研成果首次獲得了強相互作用費米超流的動力學輸運系數，可以對費米超流在低能下的動力學行為進行全面的表征。這樣一個普適性的規律將有望被推廣到其他的強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，科研團隊還觀測到了熵波的衰減率和熱導率在超流相變附近的臨界發散現象，并由此得到了一個令人激動的實驗結果——超冷原子費米超流的相變臨界區比液氦超流的相變臨界區大了約100倍（臨界區太小，意味著無法進行系統性的實驗研究）。
這個發現意味著可以對量子臨界區的物理現象，如輸運系數隨溫度的變化規律，開展定量的量子模擬研究，為理解強相互作用費米體系的反常量子輸運現象奠定了基礎。
《科學》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域的一項里程碑”。
（總臺央視記者 帥俊全）
中國-博士人才網發布
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