量子模擬范例 中國科學家首次觀測到費米超流中的熵波臨界發(fā)散

2月9日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等與澳大利亞科學家胡輝合作，首次在處于強相互作用（幺正）極限下的費米超流體中觀測到了熵波衰減的臨界發(fā)散行為，揭示了該體系存在著一個可觀的相變臨界區(qū)，并獲得了熱導率與粘滯系數(shù)等重要的輸運系數(shù)。該項工作為理解強相互作用費米體系的量子輸運現(xiàn)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。

在該項工作中，中國科大研究團隊經(jīng)過4年多的艱苦攻關(guān)，搭建了一個全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，融合發(fā)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(diào)控技術(shù)，最終成功地實現(xiàn)了世界領(lǐng)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(shù)，實驗實現(xiàn)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(yōu)于千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，并利用其實現(xiàn)了對體系密度響應的高分辨測量。

在取得上述兩項關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)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(jié)果與基于耗散兩流體理論的描述高度吻合。

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。

進一步地，研究團隊獲得了第二聲的衰減率（聲擴散系數(shù)），并以此準確測定了體系的熱導率與粘滯系數(shù)。

研究結(jié)果表明，幺正費米超流體的輸運系數(shù)均達到了普適的量子力學極限值，例如第二聲擴散系數(shù)約為ℏ/m，熱導率約為nℏkB/m。這些極限值僅由約化普朗克（ℏ）和玻爾茲曼常數(shù)（kB），粒子質(zhì)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(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)幺正費米超流體具有一個可觀的臨界區(qū)（比液氦超流體臨界區(qū)大約100倍）。這一發(fā)現(xiàn)為利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關(guān)聯(lián)費米體系中的反常輸運現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

2月4日，該成果以長文（research article）的形式發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊Science上。審稿人對該工作給予了高度評價：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(lǐng)域的一項里程碑。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).

http://ygpos.cn/uploadfile/2022/0209/20220209141012155G.abi4480

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