妙用激光“搅拌”费米子和玻色子，中科大攻克“双超流”难题 | 前沿

►根据测量数据重构的玻色—费米双超流涡旋晶格（左边是钾，右边是锂）

编者按：

9月30日，中科大科研团队通过实验手段在国际上首次实现了一种全新的量子物态——质量不平衡的玻色—费米双超流体，并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色—费米量子涡旋晶格。该成果发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理评论快报》以编辑推荐（Editors’ Suggestion）的形式报道了这项重要研究成果，美国物理学会网站“Physics Synopsis”栏目将该成果作为亮点报道。据中科大官网评述，这一实验发现开辟了超冷原子领域全新的研究方向，为理解复杂宏观量子现象提供了一种独特的研究手段。本文讲述了这一发现背后的物理学原理以及它的意义所在。

撰文 | 林梅

责编 | 徐可

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在过去的一百年里，物理学的一个重要分支——低温物理吸引了一大批科学家探索的目光，当我们进入低温的世界，种种神奇的现象开始显现，物质的电学、热学、磁学性质发生极大改变，如果你听过低温超导，一定会对电影《阿凡达》里悬浮于云端的哈利路亚山充满期待——电影描述它是由一种室温超导矿石构成。

►电影《阿凡达》剧照

其实在低温世界，还有一种比超导更神奇的现象，激发了人们的好奇心，甚至催生了若干个诺贝尔奖，这就是“超流”。

“超流”与四个诺贝尔奖

“超流”的现象最早是由P. Kapitsa（前苏联物理学家卡皮察）在1937年观察到的，他发现在2.17K[1]以下，含有⁴He [2]的液氦能沿极窄的玻璃狭缝（宽约0.5微米）流动而几乎不呈现任何粘滞性，也就是进入“超流态”。类似于超导意味着某个温度下电阻突然消失，电流永不减小，超流就意味着你手捧一杯咖啡，搅拌之后，液面一直旋转下去而没有任何耗散。

这一现象引起了许多物理学家的好奇，其中，F. London（德国物理学家F.伦敦）于1938年首先将爱因斯坦的玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-Enstein condensation, BEC）[3]与He原子的超流性联系起来，他认为由于液氦中的部分⁴He 原子发生了玻色—爱因斯坦凝聚，形成一个“抱团很紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。

什么是玻色—爱因斯坦凝聚呢？粒子根据自旋不同，可以分为费米子和玻色子。费米子的自旋为半整数，玻色子自旋为整数。由奇数个费米子组成的费米子系统（如质子、中子、²H、³He 等），与由玻色子或偶数个费米子组成的玻色子系统（如¹He、⁴He 、⁷Li等），性质上有很大差别，费米子系统受泡利不相容原理限制，每个能态只允许容纳两个粒子，哪怕温度再低，粒子们也只能按能量由低到高分布在不同能态上，就像旅行团到了酒店，若是楼下的房间住满了，即使不想爬楼你也得住上面。可是玻色子系统就没有这种限制，一个房间住多少人都行，极低温度下，粒子都向基态聚集，发生所谓“玻色—爱因斯坦凝聚”。1956年，O. Penrose（英国数学物理学家彭罗斯）和 L. Onsager（美国物理化学家昂萨格）进一步确认了He原子的玻色—爱因斯坦凝聚特性。

另一边，前苏联物理学家L. Landau（列夫·达维多维奇·朗道）在1941年最先给出了一个唯象的解释，他认为在0 K附近，有一种叫做“声子”的准粒子可能会吸收一定能量越过能隙，产生“元激发”，如果流速过小不足以越过能隙[4]，就不产生元激发，液体流速也就不会减慢，这就会呈现无黏滞的超流动性。在此基础上，Landau提出了正常流体和超流体共存的“双流体模型”，这种理论计算出来的结果基本被实验证实，并且与后来Feynman（美国物理学家理查德·菲利普斯·费曼）关于超流的量子解释十分相符，所以在长达15年的时间里，被看做是超流研究的理论基础。几年后，物理学家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人还在理论上发现，旋转的超流体宏观波函数中存在拓扑奇异点，原子会围绕这些拓扑奇异点做旋转运动——这就是所谓的量子涡旋。

这一阶段，P. Kapitsa、L. Landau因相关工作分别将1978年和1962年诺贝尔奖收入囊中。

►P. Kapitsa（左一）因相关工作获1978年诺贝尔物理奖。来源：The Nobel Foundation

►L. Landau因相关工作获1962年诺贝尔物理奖。来源：The Nobel Foundation

可是，科学家并没有那么容易被满足——费米子就没有超流性了么？当时有一种金属的超导理论——BCS理论（由J. Bardeen<巴丁>、L. V. Cooper<库珀>和J. R. Schrieffer<施里弗>提出的，他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖），这种理论认为，电子虽然是费米子，但在极低温下的金属中的电子，会彼此结合成对（库珀对），结合成库珀对的电子气表现出玻色子的特性，会发生玻色－爱因斯坦凝聚现象。基于⁴He 中的超流现象，人们预期³He 也能形成玻色子对，进而形成超流体。

1972年，康奈尔大学的D. Lee （D. M . 李）、D. Osheroff（D.D.奥谢罗夫）、R. Richardson（理查德·C.理查森）等人在2.79mK以下发现了³He的超流性，并在2.16mK下观测到了³He超流的相变！他们因此获得了1996年诺贝尔奖；后来，A. J. Leggett（英国物理学家安东尼·莱格特）发现了凝聚态物质中可发生的几种对称性同时自发破缺，为解释³He超流的实验结果提供了理论框架，A. J. Leggett、和Landau一起发表Ginzburg–Landau（GL）理论的V. L. Ginzburg（前苏联物理学家维塔利·金兹伯格）、以及通过求解Ginzburg–Landau方程发现量子涡旋周期性晶格结构的A. A. Abrikosov（俄罗斯物理学家阿布里科索夫），三人分享了2003年诺贝尔奖。

►与超流相关的1996年诺贝尔物理奖。来源：The Nobel Foundation

►与超流相关的2003年诺贝尔物理奖。来源：The Nobel Foundation

中科大团队攻克“双超流”难题

既然玻色子和费米子都有超流性，那么将两者混合呢？科学家们一直期待这种“双超流体”能展现一些独特的相互作用。

可惜这种“听上去很美”的想法，在几十年来世界许多小组的努力下，依旧没有很顺利地实现，这主要是由于³He原子和⁴He 原子之间的相互作用太强了。基于超冷原子的可控性和纯净性，人们开始考虑用超冷原子体系实现双超流。

所谓超冷原子是指利用各种粒子囚禁和冷却技术将原子保持在一个极低温的状态（接近绝对零度，如数nK到数百nK）。这个设想首先在2014年取得了进展，I.Ferrier-Barbut等人利用⁶Li和⁷Li第一次观测到了双超流的端倪——他们看到，在混合气体里，玻色子⁷Li发生了BEC——即产生了超流相；而费米子⁶Li也发生了自旋相反的两种⁶Li结合成电子对的现象——但这仅仅表明⁶Li有可能产生了超流相，若需要板上钉钉的结论，必须要观察到我们前面提到的量子涡旋才成。可惜当时这个工作没能看见涡旋，要说是真的产生了双超流，证据还不充分。

这个难题被中国科大的团队攻克了。潘建伟、陈宇翱团队选择了将⁶Li和⁴¹K 进行混合，试图在这两种质量差别达7倍的原子上实现双超流，并希望能看到传说中的量子涡旋以及其他新的现象。

研究人员搭建了一套可以同时冷却操控锂原子和钾原子的实验平台，利用全新的激光冷却、高效率磁输运、光阱陷俘、高分辨成像等技术，成功地制造了一种长得像光盘的“碟片交叉光阱”，并利用这个碟片，首次实现了高达150万⁶Li原子和18万⁴¹K 原子的质量不平衡的玻色—费米双超流体。那么，这次能看见所谓的量子涡旋吗？

►⁶Li原子和⁴¹K 原子的波色-费米双超流“碟片”

科研人员巧妙地设计了两束激光，它们像勺子搅拌咖啡一样，对称地去“搅拌”光阱里的⁶Li和⁴¹K 混合原子，超流体随之转动。接下来，研究人员精密调节激光的波长、功率、频率、光强、位置，以及磁光阱的各种参数，使之同时适应玻色和费米两种组分的要求，同时对双组分原子进行高分辨成像技术，最终成功地产生并观测到了玻色—费米量子涡旋晶格。

►两束直径为20 μm、波长为532 nm的激光，对称地“搅拌”双超流体

►玻色—费米量子涡旋晶格（由于看上去像老式煤球，科研人员戏称为“蜂窝煤”）

观测到量子涡旋，意味着确实产生了双超流。研究人员随即对其性质展开了研究。他们发现了两个比较奇异的现象。

第一就是双超流比单超流更容易产生涡旋。科学家分别对比了⁶Li和⁴¹K涡旋在双超流和单超流的产生情况，结果表明，在相当宽的搅拌频率的范围内，⁶Li在双超流下出现的涡旋数明显高于单超流条件下数倍（这种对比在⁴¹K的涡旋上不明显），种种迹象表明这很可能与⁴¹K到⁶Li的动量转移有关。

另一个奇妙现象就是双超流涡旋的寿命比单超流明显增加，当然同样的，这种区别在⁶Li的单、双超流涡旋对比中更为明显。通过与L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人量子涡旋理论的对比，有一些现象可能涉及玻色—费米相互作用、涡旋—涡旋相互作用，有待于进一步研究。而科学家首次观测到量子涡旋晶格以及它们的行为，为今后研究双超流动力学性质打开了一扇大门。

这项研究于2016年6月在arXiv首次公开后引起学界极大关注，7月28日，课题组陈宇翱教授荣获2016年国际纯粹与应用物理学会的原子分子光物理委员会（C15）青年科学家奖（IUPAP Young Scientist Prize），并应邀在两年一度的国际原子物理大会ICAP上，做关于玻色—费米双超流的涡旋观测的报告，介绍了这项最新进展。

►课题组陈宇翱教授在介绍最新进展

学术界同行纷纷用“顶尖”、“里程碑”这样的词汇描述它的精彩，因为它必然会激发后续很多关于质量不平衡的双超流系统的理论和实验研究，正如《物理评论快报》编辑点评概括的那样：

“这项研究毫无疑问地显示了双超流中两组分之间的相互作用（比如某种动量转移机制），正是这种相互作用影响了涡旋的产生和演化。”

►论文的线上发表版面

注释：

[1]热力学温度,单位开尔文K,与摄氏温度相差273.15。

[2]是氦的同位素之一，它的原子核由二颗质子和二颗中子所组成，其自旋量子数为0，是玻色子。

[3]1925年由爱因斯坦预言。

[4]能隙在此指声子产生元激发的能量差。