本文转自:文汇客户端热量不仅会扩散|神秘“第二声”首次破译!温度远去了,你“听”到了吗

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热量不仅会扩散 , 在某些情况下 , 它还可能像声波一样 , 以波的形式传播 , 被称为“第二声” 。 这神秘的“第二声”一般不会出现在普通物质中 , 只会出现在某些特殊物质中 , 例如液氦超流 。
最近 , 中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次破译了“第二声”的衰减率 , 即声扩散系数 。 这是他们基于超冷锂-镝原子量子模拟平台获得的结果 , 并依此准确测定了费米超流的热导率与粘滞系数 。
虎年第一周 , 国际著名学术期刊《科学》发表了这项来自中国的量子模拟重大突破 。 杂志审稿人称该项工作“展示了令人惊叹的实验杰作”“是一篇极为出色的论文”“有望成为量子模拟领域的一座里程碑” 。
本文转自:文汇客户端热量不仅会扩散|神秘“第二声”首次破译!温度远去了,你“听”到了吗】神秘“第二声”
发现80多年 , 诺奖预言却难以深入研究
什么是超流?超流就是粘滞性变成0的流体 , 这是一种宏观量子现象 。
举个例子 , 因为有粘滞性的存在 , 我们搅拌一杯水而形成的漩涡 , 会在停止搅拌后慢慢消失 , 水体恢复平静 。 而超流体中的漩涡却会永远停不下来 。 更神奇的是 , 装到一个容器中的超流体 , 会自己“爬”出来 。
1937年 , 苏联物理学家卡皮查在液态氦-4中首次发现了超流现象 , 还发现它具有一系列奇特性质 , 如极高热导率、粘滞性极小 , 可以克服重力沿容器壁向上攀升 , 还有“第二声”现象等等 。
上世纪四十年代 , 苏联科学家朗道建立了二流体理论 , 成功解释了氦-4液体(强相互作用玻色体系)的超流现象 , 并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播 。 由于熵波(即温度波)的性质与传统声波(第一声)类似 , 会在传播过程中逐渐衰减 , 因此朗道又将其命名为“第二声” 。 他本人也因此获得了1962年诺贝尔物理学奖 。
在研究液氦超流现象的基础上 , 人们建立了一个普适理论 , 叫做“动力学标度理论” , 它对很多量子体系的相变都具有重要指导意义 。 该理论指出 , 许多不同体系的相变过程都遵从某些相同的普适函数 。
此次论文的共同第一作者、中科大博士生罗翔解释 , 液氦-4是一个强相互作用的超流费米体系 , 同样的体系也存在于中子星的地壳、宇宙大爆炸之初的夸克-胶子等离子体之中 。 因此 , 破译超流的物理性质参数 , 有望使我们对那些无法触及的物理现象有更多理解 。
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▲陈宇翱(左)与姚星灿(右)在超冷锂-镝原子量子模拟平台前探讨实验进展 。
然而 , 科学家在几十年的研究中发现 , 动力学标度理论中的很多关键参数在液氦中非常难测 , 因为它的量子临界区非常狭窄 , 观测技术和设备远不足以精确地从中探测到所需参数 , 故而在液氦体系中很难再深入研究“第二声”现象 。
新机遇出现
精确调控超冷原子 , 模拟复杂量子系统
科学家发现 , “第二声”的传播和衰减与超流序参量直接耦合 , 是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象 。
那么 , 除了液氦-4之外 , 还有没有其他的超流体系呢?超冷原子的出现 , 让物理学家们隐约看到了新的希望 。 由强相互作用极限下的超冷费米原子形成的超流体 , 具有极佳的纯净度与可控性 , 这为研究“第二声”的衰减带来了新机遇 。
科学家经过坚持不懈的努力 , 终于在2005年前后确认了超冷原子体系中存在超流现象 , 又于2013年在该体系中测到了第二声波的存在 。