根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)的玻色—費(fèi)米雙超流渦旋晶格（左邊是鉀，右邊是鋰）
編者按：
9月30日，中科大科研團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)手段在國際上首次實(shí)現(xiàn)了一種全新的量子物態(tài)——質(zhì)量不平衡的玻色—費(fèi)米雙超流體，并在該雙超流體中成功地產(chǎn)生和觀測到玻色—費(fèi)米量子渦旋晶格。該成果發(fā)表在國際物理學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理評論快報(bào)》以編輯推薦（Editors’ Suggestion）的形式報(bào)道了這項(xiàng)重要研究成果，美國物理學(xué)會網(wǎng)站“Physics Synopsis”欄目將該成果作為亮點(diǎn)報(bào)道。據(jù)中科大官網(wǎng)評述，這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開辟了超冷原子領(lǐng)域全新的研究方向，為理解復(fù)雜宏觀量子現(xiàn)象提供了一種獨(dú)特的研究手段。本文講述了這一發(fā)現(xiàn)背后的物理學(xué)原理以及它的意義所在。
撰文 | 林梅
責(zé)編 | 徐可
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在過去的一百年里，物理學(xué)的一個(gè)重要分支——低溫物理吸引了一大批科學(xué)家探索的目光，當(dāng)我們進(jìn)入低溫的世界，種種神奇的現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，物質(zhì)的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)發(fā)生極大改變，如果你聽過低溫超導(dǎo)，一定會對電影《阿凡達(dá)》里懸浮于云端的哈利路亞山充滿期待——電影描述它是由一種室溫超導(dǎo)礦石構(gòu)成。
電影《阿凡達(dá)》劇照
其實(shí)在低溫世界，還有一種比超導(dǎo)更神奇的現(xiàn)象，激發(fā)了人們的好奇心，甚至催生了若干個(gè)諾貝爾獎，這就是“超流”。
“超流”與四個(gè)諾貝爾獎
“超流”的現(xiàn)象最早是由P. Kapitsa（前蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮察）在1937年觀察到的，他發(fā)現(xiàn)在2.17K[1]以下，含有4He [2]的液氦能沿極窄的玻璃狹縫（寬約0.5微米）流動而幾乎不呈現(xiàn)任何粘滯性，也就是進(jìn)入“超流態(tài)”。類似于超導(dǎo)意味著某個(gè)溫度下電阻突然消失，電流永不減小，超流就意味著你手捧一杯咖啡，攪拌之后，液面一直旋轉(zhuǎn)下去而沒有任何耗散。
這一現(xiàn)象引起了許多物理學(xué)家的好奇，其中，F(xiàn). London（德國物理學(xué)家F.倫敦）于1938年首先將愛因斯坦的玻色—愛因斯坦凝聚（Bose-Enstein condensation, BEC）[3]與He原子的超流性聯(lián)系起來，他認(rèn)為由于液氦中的部分4He 原子發(fā)生了玻色—愛因斯坦凝聚，形成一個(gè)“抱團(tuán)很緊”的集體。超流正是這種“抱團(tuán)”現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。
什么是玻色—愛因斯坦凝聚呢？粒子根據(jù)自旋不同，可以分為費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)，玻色子自旋為整數(shù)。由奇數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成的費(fèi)米子系統(tǒng)（如質(zhì)子、中子、2H、3He 等），與由玻色子或偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成的玻色子系統(tǒng)（如1He、4He 、7Li等），性質(zhì)上有很大差別，費(fèi)米子系統(tǒng)受泡利不相容原理限制，每個(gè)能態(tài)只允許容納兩個(gè)粒子，哪怕溫度再低，粒子們也只能按能量由低到高分布在不同能態(tài)上，就像旅行團(tuán)到了酒店，若是樓下的房間住滿了，即使不想爬樓你也得住上面。可是玻色子系統(tǒng)就沒有這種限制，一個(gè)房間住多少人都行，極低溫度下，粒子都向基態(tài)聚集，發(fā)生所謂“玻色—愛因斯坦凝聚”。1956年，O. Penrose（英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯）和 L. Onsager（美國物理化學(xué)家昂薩格）進(jìn)一步確認(rèn)了He原子的玻色—愛因斯坦凝聚特性。
另一邊，前蘇聯(lián)物理學(xué)家L. Landau（列夫·達(dá)維多維奇·朗道）在1941年最先給出了一個(gè)唯象的解釋，他認(rèn)為在0 K附近，有一種叫做“聲子”的準(zhǔn)粒子可能會吸收一定能量越過能隙，產(chǎn)生“元激發(fā)”，如果流速過小不足以越過能隙[4]，就不產(chǎn)生元激發(fā)，液體流速也就不會減慢，這就會呈現(xiàn)無黏滯的超流動性。在此基礎(chǔ)上，Landau提出了正常流體和超流體共存的“雙流體模型”，這種理論計(jì)算出來的結(jié)果基本被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并且與后來Feynman（美國物理學(xué)家理查德·菲利普斯·費(fèi)曼）關(guān)于超流的量子解釋十分相符，所以在長達(dá)15年的時(shí)間里，被看做是超流研究的理論基礎(chǔ)。幾年后，物理學(xué)家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人還在理論上發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的超流體宏觀波函數(shù)中存在拓?fù)淦娈慄c(diǎn)，原子會圍繞這些拓?fù)淦娈慄c(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動——這就是所謂的量子渦旋。
這一階段，P. Kapitsa、L. Landau因相關(guān)工作分別將1978年和1962年諾貝爾獎收入囊中。
P. Kapitsa（左一）因相關(guān)工作獲1978年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation
L. Landau因相關(guān)工作獲1962年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation
可是，科學(xué)家并沒有那么容易被滿足——費(fèi)米子就沒有超流性了么？當(dāng)時(shí)有一種金屬的超導(dǎo)理論——BCS理論（由J. Bardeen<巴丁>、L. V. Cooper<庫珀>和J. R. Schrieffer<施里弗>提出的，他們共同榮獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎），這種理論認(rèn)為，電子雖然是費(fèi)米子，但在極低溫下的金屬中的電子，會彼此結(jié)合成對（庫珀對），結(jié)合成庫珀對的電子氣表現(xiàn)出玻色子的特性，會發(fā)生玻色－愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。基于4He 中的超流現(xiàn)象，人們預(yù)期3He 也能形成玻色子對，進(jìn)而形成超流體。
1972年，康奈爾大學(xué)的D. Lee （D. M . 李）、D. Osheroff（D.D.奧謝羅夫）、R. Richardson（理查德·C.理查森）等人在2.79mK以下發(fā)現(xiàn)了3He的超流性，并在2.16mK下觀測到了3He超流的相變！他們因此獲得了1996年諾貝爾獎；后來，A. J. Leggett（英國物理學(xué)家安東尼·萊格特）發(fā)現(xiàn)了凝聚態(tài)物質(zhì)中可發(fā)生的幾種對稱性同時(shí)自發(fā)破缺，為解釋3He超流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了理論框架，A. J. Leggett、和Landau一起發(fā)表Ginzburg–Landau（GL）理論的V. L. Ginzburg（前蘇聯(lián)物理學(xué)家維塔利·金茲伯格）、以及通過求解Ginzburg–Landau方程發(fā)現(xiàn)量子渦旋周期性晶格結(jié)構(gòu)的A. A. Abrikosov（俄羅斯物理學(xué)家阿布里科索夫），三人分享了2003年諾貝爾獎。
與超流相關(guān)的1996年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation
與超流相關(guān)的2003年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation
中科大團(tuán)隊(duì)攻克“雙超流”難題
既然玻色子和費(fèi)米子都有超流性，那么將兩者混合呢？科學(xué)家們一直期待這種“雙超流體”能展現(xiàn)一些獨(dú)特的相互作用。
可惜這種“聽上去很美”的想法，在幾十年來世界許多小組的努力下，依舊沒有很順利地實(shí)現(xiàn)，這主要是由于3He原子和4He 原子之間的相互作用太強(qiáng)了。基于超冷原子的可控性和純凈性，人們開始考慮用超冷原子體系實(shí)現(xiàn)雙超流。
所謂超冷原子是指利用各種粒子囚禁和冷卻技術(shù)將原子保持在一個(gè)極低溫的狀態(tài)（接近絕對零度，如數(shù)nK到數(shù)百nK）。這個(gè)設(shè)想首先在2014年取得了進(jìn)展，I.Ferrier-Barbut等人利用6Li和7Li第一次觀測到了雙超流的端倪——他們看到，在混合氣體里，玻色子7Li發(fā)生了BEC——即產(chǎn)生了超流相；而費(fèi)米子6Li也發(fā)生了自旋相反的兩種6Li結(jié)合成電子對的現(xiàn)象——但這僅僅表明6Li有可能產(chǎn)生了超流相，若需要板上釘釘?shù)慕Y(jié)論，必須要觀察到我們前面提到的量子渦旋才成。可惜當(dāng)時(shí)這個(gè)工作沒能看見渦旋，要說是真的產(chǎn)生了雙超流，證據(jù)還不充分。
這個(gè)難題被中國科大的團(tuán)隊(duì)攻克了。潘建偉、陳宇翱團(tuán)隊(duì)選擇了將6Li和41K 進(jìn)行混合，試圖在這兩種質(zhì)量差別達(dá)7倍的原子上實(shí)現(xiàn)雙超流，并希望能看到傳說中的量子渦旋以及其他新的現(xiàn)象。
研究人員搭建了一套可以同時(shí)冷卻操控鋰原子和鉀原子的實(shí)驗(yàn)平臺，利用全新的激光冷卻、高效率磁輸運(yùn)、光阱陷俘、高分辨成像等技術(shù)，成功地制造了一種長得像光盤的“碟片交叉光阱”，并利用這個(gè)碟片，首次實(shí)現(xiàn)了高達(dá)150萬6Li原子和18萬41K 原子的質(zhì)量不平衡的玻色—費(fèi)米雙超流體。那么，這次能看見所謂的量子渦旋嗎？
6Li原子和41K 原子的波色-費(fèi)米雙超流“碟片”
科研人員巧妙地設(shè)計(jì)了兩束激光，它們像勺子攪拌咖啡一樣，對稱地去“攪拌”光阱里的6Li和41K 混合原子，超流體隨之轉(zhuǎn)動。接下來，研究人員精密調(diào)節(jié)激光的波長、功率、頻率、光強(qiáng)、位置，以及磁光阱的各種參數(shù)，使之同時(shí)適應(yīng)玻色和費(fèi)米兩種組分的要求，同時(shí)對雙組分原子進(jìn)行高分辨成像技術(shù)，最終成功地產(chǎn)生并觀測到了玻色—費(fèi)米量子渦旋晶格。
兩束直徑為20 μm、波長為532 nm的激光，對稱地“攪拌”雙超流體
玻色—費(fèi)米量子渦旋晶格（由于看上去像老式煤球，科研人員戲稱為“蜂窩煤”）
觀測到量子渦旋，意味著確實(shí)產(chǎn)生了雙超流。研究人員隨即對其性質(zhì)展開了研究。他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)比較奇異的現(xiàn)象。
第一就是雙超流比單超流更容易產(chǎn)生渦旋。科學(xué)家分別對比了6Li和41K渦旋在雙超流和單超流的產(chǎn)生情況，結(jié)果表明，在相當(dāng)寬的攪拌頻率的范圍內(nèi)，6Li在雙超流下出現(xiàn)的渦旋數(shù)明顯高于單超流條件下數(shù)倍（這種對比在41K的渦旋上不明顯），種種跡象表明這很可能與41K到6Li的動量轉(zhuǎn)移有關(guān)。
另一個(gè)奇妙現(xiàn)象就是雙超流渦旋的壽命比單超流明顯增加，當(dāng)然同樣的，這種區(qū)別在6Li的單、雙超流渦旋對比中更為明顯。通過與L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人量子渦旋理論的對比，有一些現(xiàn)象可能涉及玻色—費(fèi)米相互作用、渦旋—渦旋相互作用，有待于進(jìn)一步研究。而科學(xué)家首次觀測到量子渦旋晶格以及它們的行為，為今后研究雙超流動力學(xué)性質(zhì)打開了一扇大門。
這項(xiàng)研究于2016年6月在arXiv首次公開后引起學(xué)界極大關(guān)注，7月28日，課題組陳宇翱教授榮獲2016年國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)會的原子分子光物理委員會（C15）青年科學(xué)家獎（IUPAP Young Scientist Prize），并應(yīng)邀在兩年一度的國際原子物理大會ICAP上，做關(guān)于玻色—費(fèi)米雙超流的渦旋觀測的報(bào)告，介紹了這項(xiàng)最新進(jìn)展。
課題組陳宇翱教授在介紹最新進(jìn)展
學(xué)術(shù)界同行紛紛用“頂尖”、“里程碑”這樣的詞匯描述它的精彩，因?yàn)樗厝粫ぐl(fā)后續(xù)很多關(guān)于質(zhì)量不平衡的雙超流系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，正如《物理評論快報(bào)》編輯點(diǎn)評概括的那樣：
“這項(xiàng)研究毫無疑問地顯示了雙超流中兩組分之間的相互作用（比如某種動量轉(zhuǎn)移機(jī)制），正是這種相互作用影響了渦旋的產(chǎn)生和演化。”
論文的線上發(fā)表版面
注釋：
[1]熱力學(xué)溫度,單位開爾文K,與攝氏溫度相差273.15。
[2]是氦的同位素之一，它的原子核由二顆質(zhì)子和二顆中子所組成，其自旋量子數(shù)為0，是玻色子。
[3]1925年由愛因斯坦預(yù)言。
[4]能隙在此指聲子產(chǎn)生元激發(fā)的能量差。
