量子模拟范例 中国科学家首次观测到费米超流中的熵波临界发散

2月9日消息（余予）来自中国科大的消息显示，中国科大潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚科学家胡辉合作，首次在处于强相互作用（幺正）极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区，并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。该项工作为理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。

在该项工作中，中国科大研究团队经过4年多的艰苦攻关，搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功地实现了世界领先的均匀费米气体的制备；与此同时，研究团队还基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五的费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一的费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。

在取得上述两项关键技术突破的基础上，研究团队成功地在幺正费米超流体的密度响应中观测到了第二声的信号（如图1（D）所示），并获得了完整的幺正费米超流体的密度响应谱，实验结果与基于耗散两流体理论的描述高度吻合。

图1.（A）装置示意图。（B）探测方案示意图。（C）第一声信号。（D）第二声信号。

进一步地，研究团队获得了第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。

研究结果表明，幺正费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值，例如第二声扩散系数约为ℏ/m，热导率约为nℏkB/m。这些极限值仅由约化普朗克（ℏ）和玻尔兹曼常数（kB），粒子质量m和密度n决定。此外，他们还在超流相变附近观测到了上述输运量的临界发散行为，并发现幺正费米超流体具有一个可观的临界区（比液氦超流体临界区大约100倍）。这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，从而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。

2月4日，该成果以长文（research article）的形式发表在国际权威学术期刊Science上。审稿人对该工作给予了高度评价：展示了令人惊叹的，实验的杰作；这是一篇极为出色的论文；该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的支持。

原文链接：

Li et al., Second sound attenuation near quantum criticality. Science375, 528–533 (2022).

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