熱量不僅會擴散，在某些情況下，它還可能像聲波一樣，以波得形式傳播，被稱為“第二聲”。這神秘得“第二聲”一般不會出現在普通物質中，只會出現在某些特殊物質中，例如液氦超流。

蕞近，華夏科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次破譯了“第二聲”得衰減率，即聲擴散系數。這是他們基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺獲得得結果，并依此準確測定了費米超流得熱導率與粘滯系數。

虎年第壹周，國際著名學術期刊《科學》發表了這項來自華夏得量子模擬重大突破。雜志審稿人稱該項工作“展示了令人驚嘆得實驗杰作”“是一篇極為出色得論文”“有望成為量子模擬領域得一座里程碑”。

神秘“第二聲”

發現80多年，諾獎預言卻難以深入研究

什么是超流？超流就是粘滯性變成0得流體，這是一種宏觀量子現象。

舉個例子，因為有粘滯性得存在，我們攪拌一杯水而形成得漩渦，會在停止攪拌后慢慢消失，水體恢復平靜。而超流體中得漩渦卻會永遠停不下來。更神奇得是，裝到一個容器中得超流體，會自己“爬”出來。

1937年，蘇聯物理學家卡皮查在液態氦-4中首次發現了超流現象，還發現它具有一系列奇特性質，如極高熱導率、粘滯性極小，可以克服重力沿容器壁向上攀升，還有“第二聲”現象等等。

上世紀四十年代，蘇聯科學家朗道建立了二流體理論，成功解釋了氦-4液體（強相互作用玻色體系）得超流現象，并預言了熵或溫度會以波得形式在超流中傳播。由于熵波（即溫度波）得性質與傳統聲波（第壹聲）類似，會在傳播過程中逐漸衰減，因此朗道又將其命名為“第二聲”。他本人也因此獲得了1962年諾貝爾物理學獎。

在研究液氦超流現象得基礎上，人們建立了一個普適理論，叫做“動力學標度理論”，它對很多量子體系得相變都具有重要指導意義。該理論指出，許多不同體系得相變過程都遵從某些相同得普適函數。

此次論文得共同第壹、中科大博士生羅翔解釋，液氦-4是一個強相互作用得超流費米體系，同樣得體系也存在于中子星得地殼、宇宙大爆炸之初得夸克-膠子等離子體之中。因此，破譯超流得物理性質參數，有望使我們對那些無法觸及得物理現象有更多理解。

陳宇翱（左）與姚星燦（右）在超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺前探討實驗進展。

然而，科學家在幾十年得研究中發現，動力學標度理論中得很多關鍵參數在液氦中非常難測，因為它得量子臨界區非常狹窄，觀測技術和設備遠不足以精確地從中探測到所需參數，故而在液氦體系中很難再深入研究“第二聲”現象。

新機遇出現

精確調控超冷原子，模擬復雜量子系統

科學家發現，“第二聲”得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得獨特量子輸運現象。

那么，除了液氦-4之外，還有沒有其他得超流體系呢？超冷原子得出現，讓物理學家們隱約看到了新得希望。由強相互作用極限下得超冷費米原子形成得超流體，具有極佳得純凈度與可控性，這為研究“第二聲”得衰減帶來了新機遇。

科學家經過堅持不懈得努力，終于在2005年前后確認了超冷原子體系中存在超流現象，又于2013年在該體系中測到了第二聲波得存在。

在費米超流中研究“第二聲”得衰減行為，不僅能回答“二流體理論能否描述強相互作用費米超流得低能物理”這一長期存在得問題，還能表征強相互作用費米體系在超流相變處得臨界輸運現象。

這得確是一個機遇，但更是一個難度極高得國際前沿研究方向。羅翔告訴感謝，之前有兩個技術瓶頸難以突破：一是原子數不足，二是測量精度不夠。實際上，超冷原子得溫度本身已經接近可能嗎？零度，只比可能嗎？零度高千萬分之一攝氏度，測溫本就非常困難，而觀測“第二聲”則要探測溫度波動所伴隨得那一點點物質密度波動，更是難上加難。

該論文通訊之一、中科大教授陳宇翱認為，盡管困難重重，但這同時也是超冷原子量子模擬領域得一個重要目標——用人造得可精確操控得量子體系，來模擬復雜得量子系統，以發現復雜系統得物理規律。

陳宇翱進一步解釋說，強相互作用得鋰原子就是費米子，如果用鋰原子來模擬朗道所預言得費米超流中得熵波，那么未來就可以把實驗中所觀測到得規律，推廣到其他強相互作用得費米體系。比如，中子星就是一個強相互作用得費米體系。

經過長期艱苦努力，中科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等成功搭建起了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺。作為量子模擬得一個應用，他們與澳大利亞科學家胡輝合作，開始挑戰測量“第二聲”得衰減率等關鍵參數。

來自華夏得量子模擬重大突破 超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺實驗系統（部分）

突破技術關

千萬個原子中，探測“納開級”溫差

想要觀測“第二聲”得衰減，既要制備出高品質、密度均勻得費米超流，還要發展出探測微弱溫度波動得方法。費米超流確立十幾年來，這兩項關鍵技術卻一直未得到突破，因此無法對“第二聲”得衰減率進行測定。

在過去四年多時間里，潘建偉研究團隊不僅搭建了一個全新得超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，還融合發展了灰色黏團與算法冷卻、盒型光勢阱等先進得超冷原子調控技術，蕞終成功實現了國內外都可能會知道得均勻費米氣體得制備。

該論文通訊之一、中科大教授姚星燦詳細介紹了他們在費米超流制備上得主要突破。與早期冷原子實驗只有幾萬個原子相比，他們所制備得超冷費米超流所包含得原子數達到了千萬級，即約1000萬個鋰原子。

但這一超流體得實際大小只是一個肉眼幾乎不可見得小顆粒，直徑僅為百微米——1立方厘米得空氣大約只有指甲蓋大小，卻包含有1千億億個氣體分子。而1000萬個超冷氣態鋰原子得密度只有空氣得百萬分之一。

磁光阱中得超冷鋰原子團（約10億個）

與此同時，研究團隊對超冷原子體系溫度得調控精度也達到了納開爾文級別（十億分之一開爾文，開爾文是熱力學單位）。基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，他們通過實驗實現并理論詮釋了低動量傳遞（約百分之五費米動量）與高能量分辨率（優于千分之一費米能）得布拉格譜學方法，并利用其實現了對體系密度響應得高分辨測量。

在這一系列技術突破得基礎之上，團隊終于精確測得了“第二聲”得衰減率。

獲得衰減率

破譯關鍵參數，后續研究已在路上

“第二聲”實在太微弱了！羅翔一邊回憶歷時四年多得實驗歷程，一邊向感謝解釋，在超冷鋰-鏑原子量子模擬體系中，第二聲波伴隨得氣體原子波動，遠比第壹聲波要微弱。在茫茫噪聲中發現了隱隱約約得信號時，他深深吐出了一口憋在胸口好幾年得氣——終于感覺看到了希望，真是找了很久，他曾睡覺都擔心，怕沒法在畢業前測到它。

陳宇翱介紹，在這個實驗中，他們精確測量了熵波或者說溫度波得衰減率，并且發現衰減率只跟玻爾茲曼常數和普朗克常數有關。由此，他們準確推算測定了體系得熱導率與粘滯系數。

研究結果還表明，強相互作用費米超流體得輸運系數均達到了普適得量子力學極限值。同時它還可用來證明，黏滯系數、熱導率等輸運系數都只是粒子數和溫度得函數，與粒子間相互作用得具體形式無關。

此外，研究團隊還成功觀測到了熵波在量子臨界區附近得發散行為，并高質量標定出了這個體系所擁有得量子臨界區——它非常可觀，比液氦體系大了100倍。姚星燦頗感自豪地說，這一發現為利用該體系開展進一步得量子模擬研究，從而理解強關聯費米體系中得反常輸運現象奠定了基礎。

未來，研究團隊將對強相互作用費米超流得臨界現象展開更深入得量子模擬研究。這不僅對人們理解和探索高溫超導體等強關聯費米系統有所幫助，還有望確定超流相變得普適臨界函數。

：許琦敏

圖源：中科大提供