我国科学家量子模拟研究取得重大突破——首次观测到费米超流中的熵波临界发散

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队等与澳大利亚科研团队合作，首次在处于强相互作用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。这一成果日前在国际学术期刊《科学》上发表，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。

80多年前，朗道建立了两流体理论，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播，这种传播他命名为第二声（second sound）。这种现象只在超流体中会发生【超导现象是指电流可以没有阻力（电阻）的在超导体中流动，而类似的，超流现象指的就是超流体可以没有阻力（粘滞力）的流动】，超流是一种宏观量子现象，从前在包括液氦和超冷原子体系中都观测到过熵波的第二声传递现象，但是传递的动力学过程一直没有办法测量。

量子模拟的核心目标就是利用精确可控的人造量子系统对一些在现实条件下难以操控的复杂量子多体系统的基本规律进行有效模拟，从而对经典计算机无法解决的重要物理问题进行高效求解，为发现普适的物理规律提供思路和验证。

科研团队介绍，这个工作首先实现了一个具有代表性的人造量子系统的精确制备：约1000万个强相互作用的费米锂原子被冷却到极低温下（绝对零度附近），此时他们形成了一种奇特的宏观量子物态——费米超流体。

进一步的，科研人员实现了对费米超流体各项参数的精确测控，研究了熵或者温度是如何在费米超流体中进行传递的，这样一个物理问题。实验结果除了验证了朗道的理论预言，即温度会以波动的形式在超流体中传播，还定量地观测了熵波传播的动力学过程，首次获得了熵波的衰减率。

据了解，理解强相互作用的费米子体系的基本规律是物理学（包括天文物理、凝聚态物理、高能物理、原子分子物理）研究中最为重要的一个科学问题之一。此次科研成果首次获得了强相互作用费米超流的动力学输运系数，可以对费米超流在低能下的动力学行为进行全面的表征。这样一个普适性的规律将有望被推广到其他的强相互作用的费米子体系，比如中子星，夸克胶子等离子体等。

此外，科研团队还观测到了熵波的衰减率和热导率在超流相变附近的临界发散现象，并由此得到了一个令人激动的实验结果——超冷原子费米超流的相变临界区比液氦超流的相变临界区大了约100倍（临界区太小，意味着无法进行系统性的实验研究）。

这个发现意味着可以对量子临界区的物理现象，如输运系数随温度的变化规律，开展定量的量子模拟研究，为理解强相互作用费米体系的反常量子输运现象奠定了基础。

《科学》杂志的审稿人对该工作给予了高度评价,称该项工作“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”。

（总台央视记者 帅俊全）