記者2月7日從(cong) 中國科學技術大學了解到，中國科大在量子模擬領域獲重大突破——潘建偉(wei) 、姚星燦、陳宇翱團隊基於(yu) 超冷鋰—鏑原子量子模擬平台，首次測得第二聲的衰減率（聲擴散係數），並以此準確測定了體(ti) 係的熱導率與(yu) 粘滯係數。

　　熱是怎麽(me) 傳(chuan) 播的？通常是通過擴散，即從(cong) 近到遠溫度逐漸降低。然而，在某些情況下它也可能以波動的形式傳(chuan) 播，很像聲波。這就是80多年前朗道建立的兩(liang) 流體(ti) 理論，該理論成功解釋了氦-4液體(ti) （強相互作用玻色體(ti) 係）的超流現象，並預言了熵或溫度會(hui) 以波的形式在超流中傳(chuan) 播。熵波的性質與(yu) 傳(chuan) 統聲波類似，它在傳(chuan) 播過程中會(hui) 逐漸衰減，因此朗道又將其命名為(wei) 第二聲（Second Sound）。相對的，普通聲波被稱為(wei) 第一聲。

　　第二聲不會(hui) 出現在普通物質中，隻會(hui) 出現在某些特殊的物質中，例如超流的氦。而超流就是粘滯性變成零的流體(ti) ，是一種宏觀量子現象。例如，裝在一個(ge) 開口杯子中的超流體(ti) 可以自發地爬出來。又比如，普通的液體(ti) 中如果產(chan) 生一個(ge) 旋渦，它會(hui) 逐漸消失，而超流體(ti) 中的旋渦卻不會(hui) 衰減，會(hui) 永遠存在下去。

　　通過在液氦中測量第二聲及其相關(guan) 的熱輸運現象，人們(men) 建立了一個(ge) 普適的理論，叫作動力學標度理論。這個(ge) 理論對許多量子體(ti) 係的相變都有重要的指導意義(yi) ，例如高溫超導，因為(wei) 這個(ge) 理論指出，許多不同體(ti) 係的相變過程都遵從(cong) 相同的某些普適函數。然而，在液氦中很難把這些普適函數測準，因為(wei) 它的臨(lin) 界區域很窄，操控性也很有限。通過液氦人們(men) 發現了第二聲這種現象，但難以深入。

　　中國科學技術大學潘建偉(wei) 、姚星燦、陳宇翱等與(yu) 澳大利亞(ya) 科學家胡輝合作，首次在處於(yu) 強相互作用（幺正）極限下的費米超流體(ti) 中觀測到了熵波衰減的臨(lin) 界發散行為(wei) ，揭示了該體(ti) 係存在著一個(ge) 可觀的相變臨(lin) 界區，並獲得了熱導率與(yu) 粘滯係數等重要的輸運係數。該項工作為(wei) 理解強相互作用費米體(ti) 係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(jue) 重要物理問題的一個(ge) 範例。2月4日，該成果以長文的形式發表在國際權威學術期刊《科學》上。

　　第二聲的傳(chuan) 播和衰減與(yu) 超流序參量直接耦合，是一種隻存在於(yu) 超流體(ti) 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(wei) ，不僅(jin) 能回答“兩(liang) 流體(ti) 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(ti) 係在超流相變處的臨(lin) 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(ti) 具有極佳的純淨度與(yu) 可控性，為(wei) 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(ge) 重要目標。想要觀測第二聲的衰減，不僅(jin) 需要製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(liang) 項關(guan) 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(guan) ，搭建了一個(ge) 全新的超冷鋰—鏑原子量子模擬平台，融合發展了灰色黏團與(yu) 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(ti) 的製備。

　　與(yu) 此同時，研究團隊還基於(yu) 低噪聲行波光晶格與(yu) 高分辨原位成像技術，實驗實現並理論詮釋了低動量傳(chuan) 遞（約百分之五的費米動量）與(yu) 高能量分辨率（優(you) 於(yu) 千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，並利用其實現了對體(ti) 係密度響應的高分辨測量。在取得上述兩(liang) 項關(guan) 鍵技術突破的基礎上，研究團隊成功地在幺正費米超流體(ti) 的密度響應中觀測到了第二聲的信號，並獲得了完整的幺正費米超流體(ti) 的密度響應譜，實驗結果與(yu) 基於(yu) 耗散兩(liang) 流體(ti) 理論的描述高度吻合。

　　研究團隊還進一步地獲得了第二聲的衰減率（聲擴散係數），並以此準確測定了體(ti) 係的熱導率與(yu) 粘滯係數。研究結果表明，幺正費米超流體(ti) 的輸運係數均達到了普適的量子力學極限值。

　　此外，他們(men) 在超流相變附近觀測到了上述輸運量的臨(lin) 界發散行為(wei) ，並發現幺正費米超流體(ti) 具有一個(ge) 可觀的臨(lin) 界區（比液氦超流體(ti) 臨(lin) 界區大約100倍）。這一發現為(wei) 利用該體(ti) 係開展進一步的量子模擬研究，從(cong) 而理解強關(guan) 聯費米體(ti) 係中的反常輸運現象奠定了基礎。

　　《科學》雜誌審稿人對該工作給予了高度評價(jia) ，稱該項工作“展示了令人驚歎的實驗的傑作”“這是一篇極為(wei) 出色的論文”“該工作有望成為(wei) 量子模擬領域的一項裏程碑”。（記者 吳長鋒）