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，并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為第二聲（second sound）。第二聲的傳播和衰減與超流序參量直接耦合，是一種只存在于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為，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，還能表征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凈度與可控性，為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，不僅需要制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。盡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。

 

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制備；與此同時，研究團隊還基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，實驗實現并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（優于千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，并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），并獲得了完整的幺正費米超流體的密度響應譜，實驗結果與基于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（聲擴散系數），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數。研究結果表明，幺正費米超流體的輸運系數均達到了普適的量子力學極限值，例如第二聲擴散系數約為?/m，熱導率約為n?kB/m。這些極限值僅由約化普朗克（?）和玻爾茲曼常數（kB），粒子質量m和密度n決定。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為，并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。

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。

 

Science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”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,...），“這是一篇極為出色的論文”（This is an extremely impressive paper...），“該工作有望成為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

 

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）