量子模拟的重大突破 科学家首次测量了第二次声音衰减率

2月7日，记者从中国科学技术大学了解到，中国科学技术大学在量子模拟领域取得重大突破，——基于超冷锂镝原子量子模拟平台，潘建伟、姚兴灿、陈宇奥团队首次测量了第二种声音的衰减率(声扩散系数)，精确测量了系统的导热系数和粘滞系数。

热量是如何传播的？通常是通过扩散，即温度由近到远逐渐降低。然而，在某些情况下，它也可能以波的形式传播，很像声波。这就是朗道80多年前建立的双流体理论，它成功地解释了氦-4液体(强相互作用玻色系统)的超流现象，预言了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相似，在传播过程中会逐渐衰减，因此朗道将其命名为第二声音。相比之下，普通声波被称为第一声。

第二种声音不会出现在普通物质中，只会出现在一些特殊物质中，比如超流氦。超流体是粘度变为零的流体，这是一种宏观量子现象。例如，敞口杯中的超流体可以自发地爬出来。比如普通液体中产生一个漩涡，它会逐渐消失，而超流体中的漩涡不会衰减，而是永远存在。

通过测量液氦中的第二种声音及其相关的热传递现象，人们建立了一个被称为动态标度理论的普遍理论。这一理论对高温超导等许多量子系统的相变具有重要的指导意义，因为它指出许多不同系统的相变过程遵循相同的普适函数。然而，在液氦中很难测量这些通用函数，因为它的临界面积很窄，可操作性有限。通过液氦，人们发现了第二种声音的现象，但很难深入。

中国科学技术大学的潘建伟、姚兴灿、陈宇奥与澳大利亚科学家胡慧合作，首次观测到费米超流体在强相互作用极限下熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在相当大的临界相变区，并获得了热导率、粘滞系数等重要输运系数。这项工作为理解强相互作用费米系统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范例。2月4日，这一成果以长文形式发表在国际权威学术期刊《科学》上。

第二声音的传播和衰减与超流序参量直接耦合，这是一种只存在于超流中的独特量子输运现象。研究费米超流中第二种声音的衰减行为，不仅可以回答双流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理这一由来已久的问题，还可以刻画强相互作用费米系统在超流相变时的临界输运现象。

超冷费米原子在强相互作用极限下形成的超流具有优异的纯度和可控性，这为研究第二声音的衰减带来了新的契机，也是超冷原子量子模拟领域的重要目标。为了观察第二声音的衰减，不仅需要制备高质量的密度均匀的费米超流体，还需要开发一种探测微弱温度波动的方法。虽然费米超流已经实现了近20年，但以上两个关键技术还没有被突破，所以研究第二声音的衰减是不可能的。

在这项工作中，中国科学技术大学研究团队经过四年多的艰苦努力，搭建了全新的超冷锂镝原子量子模拟平台，开发了灰簇、算法冷却、箱式光势阱等先进的超冷原子控制技术，最终成功实现了超冷锂镝原子的制备。

同时，研究团队基于低噪声行波光学晶格和高分辨率原位成像技术，对低动量转移(约为费米动量的5%)和高能量分辨率(优于费米能量的千分之一)的布拉格光谱方法进行了实验实现和理论解释，并利用其实现了系统密度响应的高分辨率测量。在上述两项关键技术突破的基础上，研究团队成功观测到了酉费米超流密度响应中的第二声信号，获得了酉费米超流的完整密度响应谱。实验结果与基于耗散双流体理论的描述高度一致。

研究团队进一步获得了第二种声音的衰减率(声音扩散系数)，精确测量了系统的导热系数和粘滞系数。结果表明，幺正费米超流的输运系数都达到了普遍的量子力学极限。

此外，他们还观察到超流相变附近上述输运体积的临界发散行为，发现Mo正费米超流具有相当大的临界区(约为液氦超流的100倍)。这一发现为利用该系统进行进一步的量子模拟研究奠定了基础，从而了解强关联费米系统中的反常输运现象。

《科学》杂志的审稿人对这项工作给予了高度评价，称其“展示了令人惊叹的实验杰作”，“这是一篇优秀的论文”，“这项工作有望成为量子模拟领域的里程碑”。