熱不僅會(huì)擴(kuò)散，在某些情況下，它還可能像聲波一樣，以波的形式傳播，被稱(chēng)為“第二聲”。

這神秘的“第二聲”一般不會(huì)出現(xiàn)在普通物質(zhì)中，只會(huì)出現(xiàn)在某些特殊物質(zhì)中，例如超流的氦。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次“破譯”了第二聲的衰減率，即聲擴(kuò)散系數(shù)。

這是他們基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)獲得的結(jié)果，并以此準(zhǔn)確測(cè)定了體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。

就在北京冬奧會(huì)開(kāi)幕當(dāng)天，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表這項(xiàng)來(lái)自中國(guó)的量子模擬重大突破。

Science雜志的審稿人稱(chēng)該項(xiàng)工作“展示了令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)的杰作”“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(xiàng)里程碑”。

什么是超流？超流就是粘滯性變成0的流體，是一種宏觀量子現(xiàn)象。

比如，因?yàn)橛姓硿缘拇嬖?，我們攪拌一杯水形成的漩渦，會(huì)在停止攪拌后慢慢消失，恢復(fù)平靜。而超流體中的漩渦卻會(huì)永遠(yuǎn)停不下來(lái)。更神奇的是，裝到一個(gè)容器中的超流體，會(huì)自己爬出來(lái)。

80多年前，蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·達(dá)維多維奇·朗道建立了兩流體理論，成功解釋了氦-4液體（強(qiáng)相互作用玻色體系）的超流現(xiàn)象，并預(yù)言了熵或溫度會(huì)以波的形式在超流中傳播。

熵波的性質(zhì)與傳統(tǒng)聲波類(lèi)似，它在傳播過(guò)程中會(huì)逐漸衰減，因此朗道又將其命名為第二聲（second sound）。

他因此獲得了1962年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在此基礎(chǔ)上，人們建立了一個(gè)普適的理論，叫做動(dòng)力學(xué)標(biāo)度理論（dynamical scaling theory）。

這是一個(gè)對(duì)很多量子體系的相變都具有重要指導(dǎo)意義的理論，例如高溫超導(dǎo)、高分子聚合等。

不過(guò)，動(dòng)力學(xué)標(biāo)度理論指出，許多不同體系的相變過(guò)程都遵從相同的某些普適函數(shù)。

但這些普適函數(shù)在液氦中非常難測(cè)，所以人們很難在液氦中繼續(xù)深入研究第二聲現(xiàn)象。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(dú)特量子輸運(yùn)現(xiàn)象。

由強(qiáng)相互作用（幺正）極限下的超冷費(fèi)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(lái)了全新的機(jī)遇。

在費(fèi)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(qiáng)相互作用費(fèi)米超流的低能物理”這一長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，還能表征強(qiáng)相互作用費(fèi)米體系在超流相變處的臨界輸運(yùn)現(xiàn)象。

同時(shí)，這也是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)。

于是，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、姚星燦、陳宇翱等與澳大利亞科學(xué)家胡輝合作，在這一方向上發(fā)起攻關(guān)。

想要觀測(cè)第二聲的衰減，不僅需要制備高品質(zhì)的密度均勻費(fèi)米超流，還需要發(fā)展探測(cè)微弱溫度波動(dòng)的方法。盡管費(fèi)米超流已被實(shí)現(xiàn)近20年，上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)卻一直未得到突破，因此無(wú)法對(duì)第二聲的衰減進(jìn)行研究。

在過(guò)去四年多的時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)，融合發(fā)展了灰色黏團(tuán)與算法冷卻、盒型光勢(shì)阱等先進(jìn)的超冷原子調(diào)控技術(shù)，最終成功地實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費(fèi)米氣體的制備。

與此同時(shí)，他們還基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術(shù)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并理論詮釋了低動(dòng)量傳遞（約百分之五的費(fèi)米動(dòng)量）與高能量分辨率（優(yōu)于千分之一的費(fèi)米能）的布拉格譜學(xué)方法，并利用其實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系密度響應(yīng)的高分辨測(cè)量。

（A）裝置示意圖；（B）探測(cè)方案示意圖；（C）第一聲信號(hào)；（D）第二聲信號(hào)

在取得上述兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)首次成功地在處于強(qiáng)相互作用（幺正）極限下的費(fèi)米超流體中，觀測(cè)到了熵波衰減的臨界發(fā)散行為。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步獲得了第二聲的衰減率（聲擴(kuò)散系數(shù)），它只跟波爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)有關(guān)，并以此準(zhǔn)確測(cè)定了體系的熱導(dǎo)率與粘滯系數(shù)。

研究結(jié)果表明，幺正費(fèi)米超流體的輸運(yùn)系數(shù)均達(dá)到了普適的量子力學(xué)極限值。

此外，他們還在超流相變附近觀測(cè)到了上述輸運(yùn)量的臨界發(fā)散行為，并發(fā)現(xiàn)幺正費(fèi)米超流體具有一個(gè)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(kāi)展進(jìn)一步的量子模擬研究，從而理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米體系中的反常輸運(yùn)現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

作者：許琦敏

圖片：SCIENCE、中科大官網(wǎng)、百度百科

責(zé)任編輯：任荃

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