妙用激光「攪拌」費米子和玻色子，中科大攻克「雙超流」難題 | 前沿

知識 11-05

?根據測量數據重構的玻色—費米雙超流渦旋晶格（左邊是鉀，右邊是鋰）

編者按：

9月30日，中科大科研團隊通過實驗手段在國際上首次實現了一種全新的量子物態——質量不平衡的玻色—費米雙超流體，並在該雙超流體中成功地產生和觀測到玻色—費米量子渦旋晶格。該成果發表在國際物理學權威學術期刊《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理評論快報》以編輯推薦（Editors』 Suggestion）的形式報道了這項重要研究成果，美國物理學會網站「Physics Synopsis」欄目將該成果作為亮點報道。據中科大官網評述，這一實驗發現開闢了超冷原子領域全新的研究方向，為理解複雜宏觀量子現象提供了一種獨特的研究手段。本文講述了這一發現背後的物理學原理以及它的意義所在。

撰文 | 林梅

責編 | 徐可

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在過去的一百年里，物理學的一個重要分支——低溫物理吸引了一大批科學家探索的目光，當我們進入低溫的世界，種種神奇的現象開始顯現，物質的電學、熱學、磁學性質發生極大改變，如果你聽過低溫超導，一定會對電影《阿凡達》里懸浮於雲端的哈利路亞山充滿期待——電影描述它是由一種室溫超導礦石構成。

?電影《阿凡達》劇照

其實在低溫世界，還有一種比超導更神奇的現象，激發了人們的好奇心，甚至催生了若干個諾貝爾獎，這就是「超流」。

「超流」與四個諾貝爾獎

「超流」的現象最早是由P. Kapitsa（前蘇聯物理學家卡皮察）在1937年觀察到的，他發現在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）流動而幾乎不呈現任何粘滯性，也就是進入「超流態」。類似於超導意味著某個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，攪拌之後，液面一直旋轉下去而沒有任何耗散。

這一現象引起了許多物理學家的好奇，其中，F. London（德國物理學家F.倫敦）於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原子的超流性聯繫起來，他認為由於液氦中的部分⁴He 原子發生了玻色—愛因斯坦凝聚，形成一個「抱團很緊」的集體。超流正是這種「抱團」現象的具體表現。

什麼是玻色—愛因斯坦凝聚呢？粒子根據自旋不同，可以分為費米子和玻色子。費米子的自旋為半整數，玻色子自旋為整數。由奇數個費米子組成的費米子系統（如質子、中子、²H、³He 等），與由玻色子或偶數個費米子組成的玻色子系統（如¹He、⁴He 、⁷Li等），性質上有很大差別，費米子系統受泡利不相容原理限制，每個能態只允許容納兩個粒子，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上，就像旅行團到了酒店，若是樓下的房間住滿了，即使不想爬樓你也得住上面。可是玻色子系統就沒有這種限制，一個房間住多少人都行，極低溫度下，粒子都向基態聚集，發生所謂「玻色—愛因斯坦凝聚」。1956年，O. Penrose（英國數學物理學家彭羅斯）和 L. Onsager（美國物理化學家昂薩格）進一步確認了He原子的玻色—愛因斯坦凝聚特性。

另一邊，前蘇聯物理學家L. Landau（列夫·達維多維奇·朗道）在1941年最先給出了一個唯象的解釋，他認為在0 K附近，有一種叫做「聲子」的准粒子可能會吸收一定能量越過能隙，產生「元激發」，如果流速過小不足以越過能隙[4]，就不產生元激發，液體流速也就不會減慢，這就會呈現無黏滯的超流動性。在此基礎上，Landau提出了正常流體和超流體共存的「雙流體模型」，這種理論計算出來的結果基本被實驗證實，並且與後來Feynman（美國物理學家理查德·菲利普斯·費曼）關於超流的量子解釋十分相符，所以在長達15年的時間裡，被看做是超流研究的理論基礎。幾年後，物理學家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人還在理論上發現，旋轉的超流體宏觀波函數中存在拓撲奇異點，原子會圍繞這些拓撲奇異點做旋轉運動——這就是所謂的量子渦旋。

這一階段，P. Kapitsa、L. Landau因相關工作分別將1978年和1962年諾貝爾獎收入囊中。

?P. Kapitsa（左一）因相關工作獲1978年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation

?L. Landau因相關工作獲1962年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation

可是，科學家並沒有那麼容易被滿足——費米子就沒有超流性了么？當時有一種金屬的超導理論——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年諾貝爾物理學獎），這種理論認為，電子雖然是費米子，但在極低溫下的金屬中的電子，會彼此結合成對（庫珀對），結合成庫珀對的電子氣表現出玻色子的特性，會發生玻色－愛因斯坦凝聚現象。基於⁴He 中的超流現象，人們預期³He 也能形成玻色子對，進而形成超流體。

1972年，康奈爾大學的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以下發現了³He的超流性，並在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；後來，A. J. Leggett（英國物理學家安東尼·萊格特）發現了凝聚態物質中可發生的幾種對稱性同時自發破缺，為解釋³He超流的實驗結果提供了理論框架，A. J. Leggett、和Landau一起發表Ginzburg–Landau（GL）理論的V. L. Ginzburg（前蘇聯物理學家維塔利·金茲伯格）、以及通過求解Ginzburg–Landau方程發現量子渦旋周期性晶格結構的A. A. Abrikosov（俄羅斯物理學家阿布里科索夫），三人分享了2003年諾貝爾獎。

?與超流相關的1996年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation

?與超流相關的2003年諾貝爾物理獎。來源：The Nobel Foundation

中科大團隊攻克「雙超流」難題

既然玻色子和費米子都有超流性，那麼將兩者混合呢？科學家們一直期待這種「雙超流體」能展現一些獨特的相互作用。

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現，這主要是由於³He原子和⁴He 原子之間的相互作用太強了。基於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現雙超流。

所謂超冷原子是指利用各種粒子囚禁和冷卻技術將原子保持在一個極低溫的狀態（接近絕對零度，如數nK到數百nK）。這個設想首先在2014年取得了進展，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發生了BEC——即產生了超流相；而費米子⁶Li也發生了自旋相反的兩種⁶Li結合成電子對的現象——但這僅僅表明⁶Li有可能產生了超流相，若需要板上釘釘的結論，必須要觀察到我們前面提到的量子渦旋才成。可惜當時這個工作沒能看見渦旋，要說是真的產生了雙超流，證據還不充分。

這個難題被中國科大的團隊攻克了。潘建偉、陳宇翱團隊選擇了將⁶Li和⁴¹K 進行混合，試圖在這兩種質量差別達7倍的原子上實現雙超流，並希望能看到傳說中的量子渦旋以及其他新的現象。

研究人員搭建了一套可以同時冷卻操控鋰原子和鉀原子的實驗平台，利用全新的激光冷卻、高效率磁輸運、光阱陷俘、高分辨成像等技術，成功地製造了一種長得像光碟的「碟片交叉光阱」，並利用這個碟片，首次實現了高達150萬⁶Li原子和18萬⁴¹K 原子的質量不平衡的玻色—費米雙超流體。那麼，這次能看見所謂的量子渦旋嗎？

?⁶Li原子和⁴¹K 原子的波色-費米雙超流「碟片」

科研人員巧妙地設計了兩束激光，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，超流體隨之轉動。接下來，研究人員精密調節激光的波長、功率、頻率、光強、位置，以及磁光阱的各種參數，使之同時適應玻色和費米兩種組分的要求，同時對雙組分原子進行高分辨成像技術，最終成功地產生並觀測到了玻色—費米量子渦旋晶格。

?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—費米量子渦旋晶格（由於看上去像老式煤球，科研人員戲稱為「蜂窩煤」）

觀測到量子渦旋，意味著確實產生了雙超流。研究人員隨即對其性質展開了研究。他們發現了兩個比較奇異的現象。

第一就是雙超流比單超流更容易產生渦旋。科學家分別對比了⁶Li和⁴¹K渦旋在雙超流和單超流的產生情況，結果表明，在相當寬的攪拌頻率的範圍內，⁶Li在雙超流下出現的渦旋數明顯高於單超流條件下數倍（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的動量轉移有關。

另一個奇妙現象就是雙超流渦旋的壽命比單超流明顯增加，當然同樣的，這種區別在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，有一些現象可能涉及玻色—費米相互作用、渦旋—渦旋相互作用，有待於進一步研究。而科學家首次觀測到量子渦旋晶格以及它們的行為，為今後研究雙超流動力學性質打開了一扇大門。

這項研究於2016年6月在arXiv首次公開後引起學界極大關注，7月28日，課題組陳宇翱教授榮獲2016年國際純粹與應用物理學會的原子分子光物理委員會（C15）青年科學家獎（IUPAP Young Scientist Prize），並應邀在兩年一度的國際原子物理大會ICAP上，做關於玻色—費米雙超流的渦旋觀測的報告，介紹了這項最新進展。