制作人：墨子莎朗·白澤
出品單位：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
9月27日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院潘建偉與同事陳玉敖、姚興燦等人在國際上首次實現(xiàn)了一種新的物質(zhì)量子態(tài)——質(zhì)量不平衡玻色態(tài)-費米雙超流體。 在這種雙超流體中成功生成并觀察到了玻色-費米量子渦晶格。
從字面意義上來說，這是冷原子“酷團(tuán)隊”完成的又一“國際首創(chuàng)”實驗，至今仍一如既往地讓公眾表示“無法理解”。 不過，這篇文章在正式發(fā)表之前，就已經(jīng)得到了多位諾貝爾獎獲得者和其他行業(yè)領(lǐng)袖的稱贊。 諾貝爾物理學(xué)獎獲得者凱特勒（W.）評價其為“一項精彩的實驗工作”。 ”；諾貝爾獎得主萊格特爵士（A.）認(rèn)為，這是“一項極其重要的實驗工作，無疑將刺激大量的理論研究”；麻省理工學(xué)院教授、著名物理學(xué)家茲威廉（M. ）稱其為“超流體研究領(lǐng)域的里程碑式的工作”。
圖1. 2001年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者德國科學(xué)家沃爾夫?qū)た铺乩?span style="display:none">Q0I物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
圖 2. 2003 年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安東尼·萊格特爵士
那么，這篇文章有何精彩之處，讓這么多量子專家忍不住點贊呢？ 事實上，這篇文章背后的實驗是偉大的天才們非常重視的。 在第九季第六集中，我聽說有一個瑞士團(tuán)隊想和他們競爭做這個實驗，但他們快瘋了！
（圖片來自搜狐視頻《生活大爆炸》第9季第6集截圖）
然而沒想到的是，這個“超流渦流實驗”（業(yè)內(nèi)更俗稱渦流實驗，不是字幕中的渦流實驗）竟然是由理大超冷原子團(tuán)隊完成的中國的技術(shù)，他們觀察發(fā)現(xiàn)的全新物理現(xiàn)象，目前還沒有理論可以解釋，但很可能打開冷原子新世界的大門！
眾所周知，“宇宙大爆炸”背后有一批擁有耀眼履歷的科學(xué)家作為理論支撐，其中包括多名諾貝爾物理學(xué)獎獲得者。 作為天才的代表，他所做的研究就是他超強天賦的最好體現(xiàn)。 最前沿的研究，所以編劇安排的超流渦旋實驗其實是量子物理世界的一個“精英”領(lǐng)域，誕生了很多諾貝爾獎獲得者。 今天，小編就在科學(xué)家的指導(dǎo)下，嘗試講解一下量子渦旋的原理及其輝煌的發(fā)展歷史：
量子渦旋是超流性最迷人、最本質(zhì)的表現(xiàn)形式，也是最直接的證據(jù)。 要了解量子渦旋，首先讓我們了解什么是超流體。
我們知道，液體流動時，空氣和容器壁會產(chǎn)生粘性力（阻力）阻礙其運動。 將液體通過直徑1cm的玻璃管倒入容器中。 幾乎在澆注停止的瞬間，玻璃管內(nèi)部與容器內(nèi)的液體齊平，這是粘性力可以忽略不計的情況； 如果使用直徑為1mm的細(xì)玻璃管，粘性力會阻礙液體的運動，液體流動可能會變得極其緩慢或停止流動； 如果是直徑為0.5μm（1μm=0.001mm）的玻璃縫，那么可以肯定任何普通條件下的液體都無法通過。
1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家（P.）將玻色液氦4的溫度冷卻到2.17 K以下，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了。 液氦快速流過0.5μm（1μm=0.001mm）寬的玻璃縫，他將這種沒有粘度的流體稱為超流體。 通俗地說，就是一種沒有任何阻力的超流現(xiàn)象（）。
圖 3.Peter
圖4. 可以看出超流體的幾個特點：零粘度（爬墻、穿過小間隙）、極大的熱容（沸騰突然停止）、熱機效應(yīng)（噴泉）
嚴(yán)格來說，這是超流領(lǐng)域的第一個諾貝爾獎。 不過，由于卡皮察拒絕與艾倫和米塞納分享諾貝爾獎，諾貝爾獎評審委員會才于1978年單獨將諾貝爾物理學(xué)獎授予了他（有興趣八卦的可以自行搜索）。
超流性的發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因為它是一種可與超導(dǎo)相媲美的宏觀量子效應(yīng)。 掌握它的性質(zhì)可以幫助我們更好地理解新物理世界中的各種現(xiàn)象。 例如，中子星的內(nèi)部是超流體。 如果我們對超流體的性質(zhì)有足夠的理論基礎(chǔ)，我們就可以了解中子星的結(jié)構(gòu)，包括超導(dǎo)的各種性質(zhì)，也可以通過對超流體的研究來模擬它們。
當(dāng)然，卡皮察只是發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象。 其背后的原理以及如何發(fā)現(xiàn)更多的物質(zhì)超流體態(tài)，還需要科學(xué)家們慢慢探索。
接下來，D. Lee、 (D.)、 (R.)等人成功地將液氦3冷卻到2.5 mK以下，并首次觀察到費米液體的超流性。 ，榮獲1996年諾貝爾物理學(xué)獎。
圖5. 1996年諾貝爾物理學(xué)獎的三位獲得者
自然界中的粒子根據(jù)其特性可分為玻色子和費米子兩大類。 因此，玻色氦4和費米氦3超流體的單獨實現(xiàn)成為超流領(lǐng)域的巨大突破。 此后，物理學(xué)家開始嘗試將它們混合在一起，實現(xiàn)一種新的物質(zhì)量子態(tài)——玻色-費米雙超流體，這比玻色子和費米子單獨實現(xiàn)要困難得多。
科學(xué)家延續(xù)了卡皮察等人之前的液氦冷卻方法。 即使液氦冷卻到100μK以下，氦3和氦4的雙超流仍然無法實現(xiàn)。 超流性的研究似乎已經(jīng)到了瓶頸，但與此同時，超流性研究的另一個分支也在蓬勃發(fā)展，并逐漸取代液氦超流性的研究，成為超流性研究的主流。
20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家昂薩格（L.，1968年諾貝爾化學(xué)獎獲得者）、朗道（L.，1962年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）和費曼（R.，1965年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）物理學(xué)家獲獎?wù)撸┑热藦睦碚撋习l(fā)現(xiàn)了量子渦旋。
圖 6. Lars
圖 7. Lev
什么是量子渦旋？ 我們都知道，木棍在水中攪拌會形成漩渦。 如果停止攪拌，渦流就會逐漸消失。
但超流體則不同。 首先，它在攪拌時不會產(chǎn)生渦流，也是任何攪拌棒都做不到的。 目前超流體渦流研究的主流是用激光作為“攪拌棒”，用光子作為容器（光陷阱），將超冷原子放入其中，并開始攪拌。 只有達(dá)到一定的臨界速度時，超流體中才會開始出現(xiàn)渦流。 當(dāng)“攪拌”持續(xù)勻速或加速時，奇妙的現(xiàn)象就會發(fā)生。 超流體表面開始出現(xiàn)多個漩渦，并且隨著攪拌的次數(shù)不斷增加，最終變成像這個煤球一樣的狀態(tài)。
圖8.圖中的黑點是量子渦旋。
由于這些漩渦的排列遵循最小能量原理，即用最低的能量來維持它們的漩渦狀態(tài)，因此這些漩渦會自發(fā)地排列成非常規(guī)則的形狀——這就是量子漩渦。 如果在實驗中觀察到像上圖這樣的蜂窩狀量子渦旋晶格，則意味著有絕對的證據(jù)證明超流性的存在，并且通過研究量子渦旋，可以了解超流性的更多性質(zhì)。
郎導(dǎo)等人當(dāng)時的發(fā)現(xiàn)看似與液氦超流體實驗沒有太大關(guān)聯(lián)，但對未來超冷原子超流體的研究具有重要意義。 因為液氦超流性可以通過冷卻失去粘性并穿過玻璃縫來直接證明其超流態(tài)的存在，但后來的實驗轉(zhuǎn)向了超冷原子領(lǐng)域。 該領(lǐng)域的超流體實驗使用稀疏。 氣體無法用肉眼觀察到，也無法構(gòu)造“毛細(xì)管”來測試其粘度量子物理學(xué)家諾貝爾獎得主，為其超流體存在提供明確的證據(jù)。 這時，通過制造量子渦旋來證明超流體存在并進(jìn)行進(jìn)一步研究的實驗就顯得尤為重要。
1995年，康奈爾、維曼、凱特勒等人利用超冷原子（康奈爾和維曼使用銣原子，凱特勒使用鈉原子）實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚，或稱玻色超凝聚。 流體（他們?nèi)艘驅(qū)崿F(xiàn)愛因斯坦預(yù)言的超流體而共同獲得2001年諾貝爾物理學(xué)獎），科學(xué)家們逐漸將注意力轉(zhuǎn)向可控性和純度更高的超冷原子，并用它們來研究超流體的各種性質(zhì)。
圖 9. 埃里克·康奈爾
圖 10. 卡爾·維曼
阿布里科索夫（AA）從理論上發(fā)現(xiàn)，量子渦旋遵循最小能量原理，排列成周期性晶格結(jié)構(gòu)； （A.）提出了新的量子理論，揭示了液氦- 3.費米超流性的機制，他們還共同獲得了2003年諾貝爾物理學(xué)獎（需要注意的是，這些理論研究都是圍繞液體的理論研究氦超流。對于超冷原子超流的理論研究，目前還沒有太大的進(jìn)展，對偶超流領(lǐng)域基本是空白）。
圖 11. 阿列克謝·阿列克謝維奇·阿布里科索夫
2005年，凱特勒團(tuán)隊利用鋰原子實現(xiàn)了費米超流，并觀察到了量子渦旋晶格。 精確的實驗證明了費米超流性的存在。
前面提到，新的物質(zhì)量子態(tài)玻色-費米雙超流體的實現(xiàn)在液氦領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了瓶頸。 由此，超冷原子超流體的研究應(yīng)運而生。 雙超流體能否實現(xiàn)？ 科學(xué)家們進(jìn)行了無數(shù)的嘗試。
2011年，潘建偉、陳玉傲等人的超冷原子團(tuán)隊開始建設(shè)實驗室，試圖實現(xiàn)質(zhì)量不平衡的玻色-費米雙超流體（氦4和氦3都屬于氦原子，質(zhì)量不平衡的玻色-費米雙超流體）是平衡的。在不平衡的不同原子態(tài)下實現(xiàn)雙超流性比較困難）。 由于在費米超流體中產(chǎn)生渦晶格非常困難，當(dāng)時只有凱特勒團(tuán)隊掌握了實現(xiàn)這一技術(shù)的技術(shù)。 于是，他們從零開始，完全靠自己探索超冷原子的實驗操控技術(shù)。 經(jīng)過五年的努力，他們終于建成了一個國際領(lǐng)先的可以同時冷卻和操縱鋰和鉀原子的實驗平臺。 他們利用獨創(chuàng)的“圓盤交叉光阱”首次實現(xiàn)了質(zhì)量不平衡的 Bose。 ——費米雙超流體取得重大突破。 而且，他們還利用中國科學(xué)家細(xì)心、認(rèn)真、勤奮的研究精神，將各種實驗參數(shù)優(yōu)化到極致，最終在10 nK的極低溫度下獲得了多達(dá)150萬個鋰原子和20萬個鉀原子。 雙超流體。
圖 12. Bose-Fermi 雙超流體。 玻色超流體由鉀原子氣體組成，體積較小，像中間有一個原子核； 費米超流體由鋰原子氣體組成，體積較大。 就像圍繞著它的光環(huán)
該團(tuán)隊還設(shè)計了一種極其精密的光學(xué)裝置，產(chǎn)生兩束直徑為20微米的激光束，可以圍繞雙超流體對稱旋轉(zhuǎn)，就像攪拌咖啡的勺子一樣量子物理學(xué)家諾貝爾獎得主，導(dǎo)致超流體相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。 利用他們創(chuàng)造性開發(fā)的可同時對二元原子進(jìn)行高分辨率成像的技術(shù)，通過精確調(diào)整旋轉(zhuǎn)激光的位置、強度、頻率等參數(shù)，最終成功產(chǎn)生并觀測到了玻色-費米量子渦旋晶體。 網(wǎng)格。
看到這里，你就明白為什么那些量子物理大師們一開始對這個實驗贊不絕口了。 他們的工作并不是對原始儀器的改進(jìn)，而是徹底的創(chuàng)新，而且是雙超冷原子。 流領(lǐng)域的巨大突破很可能導(dǎo)致大量實驗的進(jìn)展和多種理論的誕生。 而這一切都是由一群年輕的科學(xué)工作者在一個空蕩蕩的實驗室里白手起家建立起來的。
圖13. 實驗室剛建五年，當(dāng)時還是一間空房間。
圖 14. 五年后完成的實驗平臺
值得一提的是，雙超流實驗所采用的超冷原子系統(tǒng)是近年來非常先進(jìn)的模擬系統(tǒng)。 由于其超高純度，超冷原子實現(xiàn)了許多目前在凝聚態(tài)物質(zhì)領(lǐng)域無法實現(xiàn)的模型。 例如，今年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者索利斯和科斯特利茨提出的KT相變首次應(yīng)用于超冷原子。 它是在冷原子中實現(xiàn)的，另一位獲獎?wù)咛岢龅哪Ｐ鸵苍?014年使用超冷原子實現(xiàn)了。 在寫這篇文章時，作者發(fā)現(xiàn)自1962年以來，每隔15-20年就會產(chǎn)生一個超流領(lǐng)域的諾貝爾獎。 今年新公布的諾貝爾獎再次驗證了這一規(guī)律。 因此，筆者也非常期待這個初出茅廬的實驗，未來能產(chǎn)生更加出色的成果。
“科普中國”是中國科協(xié)聯(lián)合社會各方利用信息技術(shù)傳播科學(xué)的權(quán)威科普品牌。
