熱量不僅會擴散，在某些情況下，它還可能像聲波一樣，以波的形式傳播，被稱為“第二聲”。這神秘的“第二聲”一般不會出現在普通物質中，只會出現在某些特殊物質中，例如液氦超流。
最近，中國科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次破譯了“第二聲”的衰減率，即聲擴散系數。這是他們基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺獲得的結果，并依此準確測定了費米超流的熱導率與粘滯系數。
虎年第一周，國際著名學術期刊《科學》發表了這項來自中國的量子模擬重大突破。雜志審稿人稱該項工作“展示了令人驚嘆的實驗杰作”“是一篇極為出色的論文”“有望成為量子模擬領域的一座里程碑”。
神秘“第二聲”
發現80多年，諾獎預言卻難以深入研究
什么是超流?超流就是粘滯性變成0的流體，這是一種宏觀量子現象。
舉個例子，因為有粘滯性的存在，我們攪拌一杯水而形成的漩渦，會在停止攪拌后慢慢消失，水體恢復平靜。而超流體中的漩渦卻會永遠停不下來。更神奇的是，裝到一個容器中的超流體，會自己“爬”出來。
1937年，蘇聯物理學家卡皮查在液態氦-4中首次發現了超流現象，還發現它具有一系列奇特性質，如極高熱導率、粘滯性極小，可以克服重力沿容器壁向上攀升，還有“第二聲”現象等等。
上世紀四十年代，蘇聯科學家朗道建立了二流體理論，成功解釋了氦-4液體(強相互作用玻色體系)的超流現象，并預言了熵或溫度會以波的形式在超流中傳播。由于熵波(即溫度波)的性質與傳統聲波(第一聲)類似，會在傳播過程中逐漸衰減，因此朗道又將其命名為“第二聲”。他本人也因此獲得了1962年諾貝爾物理學獎。
在研究液氦超流現象的基礎上，人們建立了一個普適理論，叫做“動力學標度理論”，它對很多量子體系的相變都具有重要指導意義。該理論指出，許多不同體系的相變過程都遵從某些相同的普適函數。
此次論文的共同第一作者、中科大博士生羅翔解釋，液氦-4是一個強相互作用的超流費米體系，同樣的體系也存在于中子星的地殼、宇宙大爆炸之初的夸克-膠子等離子體之中。因此，破譯超流的物理性質參數，有望使我們對那些無法觸及的物理現象有更多理解。
然而，科學家在幾十年的研究中發現，動力學標度理論中的很多關鍵參數在液氦中非常難測，因為它的量子臨界區非常狹窄，觀測技術和設備遠不足以精確地從中探測到所需參數，故而在液氦體系中很難再深入研究“第二聲”現象。
新機遇出現
精確調控超冷原子，模擬復雜量子系統
科學家發現，“第二聲”的傳播和衰減與超流序參量直接耦合，是一種只存在于超流體中的獨特量子輸運現象。
那么，除了液氦-4之外，還有沒有其他的超流體系呢?超冷原子的出現，讓物理學家們隱約看到了新的希望。由強相互作用極限下的超冷費米原子形成的超流體，具有極佳的純凈度與可控性，這為研究“第二聲”的衰減帶來了新機遇。
科學家經過堅持不懈的努力，終于在2005年前后確認了超冷原子體系中存在超流現象，又于2013年在該體系中測到了第二聲波的存在。
在費米超流中研究“第二聲”的衰減行為，不僅能回答“二流體理論能否描述強相互作用費米超流的低能物理”這一長期存在的問題，還能表征強相互作用費米體系在超流相變處的臨界輸運現象。
這的確是一個機遇，但更是一個難度極高的國際前沿研究方向。羅翔告訴記者，之前有兩個技術瓶頸難以突破：一是原子數不足，二是測量精度不夠。實際上，超冷原子的溫度本身已經接近絕對零度，只比絕對零度高千萬分之一攝氏度，測溫本就非常困難，而觀測“第二聲”則要探測溫度波動所伴隨的那一點點物質密度波動，更是難上加難。
該論文通訊作者之一、中科大教授陳宇翱認為，盡管困難重重，但這同時也是超冷原子量子模擬領域的一個重要目標——用人造的可精確操控的量子體系，來模擬復雜的量子系統，以發現復雜系統的物理規律。
陳宇翱進一步解釋說，強相互作用的鋰原子就是費米子，如果用鋰原子來模擬朗道所預言的費米超流中的熵波，那么未來就可以把實驗中所觀測到的規律，推廣到其他強相互作用的費米體系。比如，中子星就是一個強相互作用的費米體系。
經過長期艱苦努力，中科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等成功搭建起了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺。作為量子模擬的一個應用，他們與澳大利亞科學家胡輝合作，開始挑戰測量“第二聲”的衰減率等關鍵參數。
突破技術關
千萬個原子中，探測“納開級”溫差
想要觀測“第二聲”的衰減，既要制備出高品質、密度均勻的費米超流，還要發展出探測微弱溫度波動的方法。費米超流確立十幾年來，這兩項關鍵技術卻一直未得到突破，因此無法對“第二聲”的衰減率進行測定。
在過去四年多時間里，潘建偉研究團隊不僅搭建了一個全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，還融合發展了灰色黏團與算法冷卻、盒型光勢阱等先進的超冷原子調控技術，最終成功實現了世界領先的均勻費米氣體的制備。
該論文通訊作者之一、中科大教授姚星燦詳細介紹了他們在費米超流制備上的主要突破。與早期冷原子實驗只有幾萬個原子相比，他們所制備的超冷費米超流所包含的原子數達到了千萬級，即約1000萬個鋰原子。
但這一超流體的實際大小只是一個肉眼幾乎不可見的小顆粒，直徑僅為百微米——1立方厘米的空氣大約只有指甲蓋大小，卻包含有1千億億個氣體分子。而1000萬個超冷氣態鋰原子的密度只有空氣的百萬分之一。
與此同時，研究團隊對超冷原子體系溫度的調控精度也達到了納開爾文級別(十億分之一開爾文，開爾文是熱力學單位)。基于低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，他們通過實驗實現并理論詮釋了低動量傳遞(約百分之五費米動量)與高能量分辨率(優于千分之一費米能)的布拉格譜學方法，并利用其實現了對體系密度響應的高分辨測量。
在這一系列技術突破的基礎之上，團隊終于精確測得了“第二聲”的衰減率。
獲得衰減率
破譯關鍵參數，后續研究已在路上
“第二聲”實在太微弱了!羅翔一邊回憶歷時四年多的實驗歷程，一邊向記者解釋，在超冷鋰-鏑原子量子模擬體系中，第二聲波伴隨的氣體原子波動，遠比第一聲波要微弱。在茫茫噪聲中發現了隱隱約約的信號時，他深深吐出了一口憋在胸口好幾年的氣——終于感覺看到了希望，真是找了很久，他曾睡覺都擔心，怕沒法在畢業前測到它。
陳宇翱介紹，在這個實驗中，他們精確測量了熵波或者說溫度波的衰減率，并且發現衰減率只跟玻爾茲曼常數和普朗克常數有關。由此，他們準確推算測定了體系的熱導率與粘滯系數。
研究結果還表明，強相互作用費米超流體的輸運系數均達到了普適的量子力學極限值。同時它還可用來證明，黏滯系數、熱導率等輸運系數都只是粒子數和溫度的函數，與粒子間相互作用的具體形式無關。
此外，研究團隊還成功觀測到了熵波在量子臨界區附近的發散行為，并高質量標定出了這個體系所擁有的量子臨界區——它非常可觀，比液氦體系大了100倍。姚星燦頗感自豪地說，這一發現為利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。
未來，研究團隊將對強相互作用費米超流的臨界現象展開更深入的量子模擬研究。這不僅對人們理解和探索高溫超導體等強關聯費米系統有所幫助，還有望確定超流相變的普適臨界函數。
