國際首次！中國科學家超越謝爾頓 實現全新量子物態

出品：科普中國

製作：墨子沙龍 白澤

監製：中國科學院計算機網路信息中心

9月27日，中國科學技術大學上海研究院潘建偉及其同事陳宇翱、姚星燦等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。

從字面意義上看，這是冷原子「酷之隊」又完成的一項「國際首次」的實驗，而且還是一如既往的讓大眾直呼「看不懂」。然而這篇文章在正式發表前，已經得到了多位諾貝爾獎獲得者和其他業內大咖的讚賞，諾貝爾物理學獎得主克特勒（W. Ketterle）評價其為「一個精彩絕倫的實驗工作」；諾貝爾物理學獎得主萊格特爵士（A. Leggett）認為，這是「極為重要的實驗工作，毫無疑問將激發大量的理論研究」；麻省理工大學教授、著名物理學家茨威廉（M. Zwierlein）稱其為「超流研究領域一個里程碑式的工作」。

圖1. 德國科學家沃夫岡·克特勒，2001年諾貝爾物理獎獲得者

圖2. 安東尼·萊格特爵士，2003年諾貝爾物理獎獲得者

那麼，這篇文章到底牛在哪裡，會讓這麼多量子大牛忍不住誇讚？事實上，這篇文章背後的實驗，可是大天才Sheldon Cooper都十分重視的。第九季第六集里，Sheldon聽說有個瑞士團隊要跟他們搶做這個實驗，可是都要急瘋了！

（圖片來自搜狐視頻「生活大爆炸」第九季第六集截圖）

然而Sheldon沒想到的是，這個「超流體渦旋實驗」（業內更通俗的說法是渦旋實驗，而非字幕里的旋渦實驗）已經被中國科大的超冷原子團隊做出來了，而且，他們觀測到的全新的物理現象，至今還沒有理論可以解釋，但很可能會打開冷原子新世界的大門！

眾所周知，《The Big Bang Theory》背後有一眾履歷金光閃閃的科學家們做理論支持，其中不乏諾貝爾物理學獎獲得者，作為天才的代表，Sheldon做的研究那都是最能體現他的超高天分的最前沿研究，所以編劇們給Sheldon安排的超流體渦旋實驗，其實是量子物理界的「精英」領域，產生了多位諾貝爾獎獲得者。今天，小編就在科學家的指導下，給大家試著解釋一下量子渦旋的原理和其光輝的發展史：

量子渦旋是超流性最為迷人而又本質的體現，也是其最直接的證據。想要了解量子渦旋，首先我們來學習一下什麼是超流體。

我們知道，液體在流動時，空氣和容器器壁都會產生粘滯力（就是阻力）阻礙其運動，通過直徑1cm的玻璃管向容器里傾倒液體，幾乎在停止傾倒的瞬間，玻璃管內和容器內的液體齊平，這是粘滯力可忽略不計的情況；如果用直徑1mm的玻璃細管，那麼粘滯力就會阻礙液體的運行，很可能出現液體流動極其緩慢，或者停止流動的現象；如果是直徑0.5 μm（1μm =0.001mm）的玻璃狹縫，那麼可以肯定任何普通狀況下的液體都無法通過。

1937年，前蘇聯物理學家卡皮查（P. Kapitza）將玻色液氦-4的溫度冷卻至2.17 K以下，神奇的現象出現了，液氦迅速地流過了0.5 μm（1μm =0.001mm）寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，通俗一點的說，就是沒有任何阻力的超級流動現象（Superfluidity）。

圖3. 彼得·卡皮查

圖4. 可以看到超流的幾個特徵：零粘滯（爬壁、穿過小縫）、熱容量超大（沸騰突然停止）熱機效應（噴泉）

嚴格意義上說，這是超流領域第一個諾貝爾獎成果，不過由於卡皮查拒絕與艾倫和米森那共享諾貝爾獎，導致諾貝爾獎評審委員會1978年才將諾貝爾物理獎單獨授予他（這其中的八卦感興趣者可以自行搜索）。

超流現象的發現意義重大，因其是一種可與超導媲美的宏觀量子效應，掌握其性質可以幫助我們更好的理解新物理世界中的各種現象，比如中子星的內部就是超流體，如果我們對超流體的性質掌握了足夠多的理論依據，就可以了解中子星的結構，包括超導的各種性質，也可以通過對超流的研究進行模擬。

當然，卡皮查只是發現了這種現象，究竟其中的原理如何，以及如何發現更多物質的超流態，還需要科學家們慢慢探索。

接下來，李（D. Lee）、奧謝羅夫（D. Osheroff）、理查孫（R. Richardson）等人成功地將液氦-3冷卻至2.5 mK以下，並首次觀測到了費米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學獎。

圖5. 1996年諾貝爾物理獎三位獲獎者

自然界的粒子按照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的超流體分別單獨實現，都成為超流領域的巨大突破。在此之後，物理學家們開始嘗試把它們混合在一起，實現玻色-費米雙超流體這一全新的量子物態，而這比玻色子和費米子的單獨實現要困難得多。

科學家們延續之前卡皮查等人的液氦冷卻方法，即使將液氦冷卻至100 μK以下，仍然無法實現氦-3和氦-4的雙超流。對超流的研究似乎陷入了瓶頸，但與此同時，超流研究的另一個分支也在蓬勃發展，並逐漸取代液氦超流研究，成為超流研究的主流。

20世紀40年代，物理學家昂薩格（L. Onsager，1968年諾貝爾化學獎得主）、郎道（L. Landau，1962年諾貝爾物理學獎得主）、費曼（R. Feynman，1965年諾貝爾物理學獎得主）等人在理論上發現了量子渦旋。

圖6. 拉斯·昂薩格

什麼是量子渦旋呢？我們都知道，用木棍在水中攪動就會形成旋渦，停止攪拌，旋渦就漸漸消失了。

可是超流體就不太一樣，首先，它不是一攪動就會有旋渦，也不是什麼攪拌棒都可以的。現在超流渦旋研究的主流是用激光作為「攪拌棒」，用光子作為容器（光阱），將超冷原子放置其中，開始攪拌。只有達到了某個臨界速度，超流體才會開始出現渦旋，當繼續勻速或加速「攪拌」，奇妙的現象發生了，在超流體的表面開始出現了多個渦旋，並且隨著攪拌數量不斷增加，最後成為像這樣蜂窩煤一樣的狀態。

圖8. 圖中一個個黑點就是量子渦旋了

由於這些渦旋的排列遵循能量最低原理，即用最低的能量保持其渦旋狀態，所以這些渦旋會自發的排成非常規則的形狀——這就是量子渦旋。如果在實驗中觀測到像上圖這樣蜂窩煤樣子的量子渦旋晶格，就意味著有絕對的證據證明超流的存在，並且通過研究量子渦旋，可以了解超流的更多性質。

郎道等人當時的發現看似對液氦超流實驗並無太大關聯，但對未來超冷原子超流體的研究意義重大。因為液氦超流可以通過降溫使其失去粘滯性和穿越玻璃狹縫的方式直接證明其超流態的存在，但是後期實驗轉向超冷原子領域，這一領域的超流實驗則是利用稀薄氣體，肉眼不可觀測，也無法構建測試其粘滯性的「毛細管」，提供其超流存在的確切證據。這時，通過製造量子渦旋來證明超流體存在，並進一步研究的實驗就顯得尤為重要了。

1995年，康奈爾、維曼、克特勒等人利用超冷原子（康奈爾和維曼使用銣原子，克特勒使用鈉原子）實現了玻色-愛因斯坦凝聚即玻色超流體（他們三人因為實現了愛因斯坦預言的超流體而分享了2001年諾貝爾物理獎）後，科學家們逐漸將目光投向可控性更高、純凈性更強的超冷原子，利用其研究超流體的各種性質。

圖9. 埃里克·康奈爾

圖10. 卡爾·維曼

阿布里科索夫（A. A. Abrikosov）理論上發現量子渦旋會遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結構；萊格特（A. Leggett）提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費米超流的機理，他們還一起分享了2003年諾貝爾物理學獎（需要注意的是，這些理論研究都是圍繞液氦超流的理論研究，對於超冷原子超流的理論研究，目前還沒有很大的進展，雙超流領域更是基本空白）。

圖11. 阿列克謝·阿列克謝維奇·阿布里科索夫

2005年，克特勒小組又利用鋰原子實現了費米超流，並觀測到量子渦旋晶格，確切的實驗證明了費米超流的存在。

前面講到，實現玻色-費米雙超流體這一全新的量子物態，在液氦領域已經陷入瓶頸，超冷原子超流體研究因此興起，是否可以實現雙超流體呢？科學家們做了無數的嘗試。

2011年，潘建偉、陳宇翱等人的超冷原子小組開始搭建實驗室，嘗試實現質量不平衡的玻色-費米雙超流體（氦-4和氦-3都屬於氦原子，質量平衡，在質量不平衡的不同原子狀態下實現雙超流難度更大）。由於費米超流中產生渦旋晶格非常困難，當時只有克特勒小組掌握了實現的技術。因此他們是從零開始，完全自己摸索超冷原子的實驗操控技術。經過五年的努力，他們終於搭建出了一套在國際上領先的、可以同時冷卻操控鋰和鉀原子的實驗平台，利用獨創的「碟片交叉光阱」，首次實現質量不平衡的玻色-費米雙超流體，實現了重大的突破。並且，他們還發揮了中國科學工作者細心、認真、努力的鑽研精神，將各項實驗參數優化到極致，最終在10 nK的極低溫下，獲得了高達150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體。

圖12. 玻色-費米雙超流體，玻色超流是由鉀原子氣體構成的，體積較小，像一個核在中間；費米超流是由鋰原子氣體構成的，體積較大，就像光暈圍繞在周圍

團隊還設計了極其精巧的光學裝置，產生了兩束直徑為20 μm、可以對稱地圍繞雙超流體轉動的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉起來。利用他們創造性發展的能夠同時對雙組份原子進行高分辨成像的技術，通過精密調節旋轉激光的位置、光強、頻率等參數，最終成功地產生並觀測到了玻色-費米量子渦旋晶格。

看到這兒，大家能明白為什麼開始那些量子物理大拿們會對這個實驗讚不絕口了吧，他們的工作並非是在原有儀器上的改進，而是徹底的創新，並且是超冷原子雙超流領域巨大的突破，很可能會帶動一大批實驗的進展和多個理論的誕生。而這一切，都是一群年輕的科學工作者們從一個空空的實驗室、一點點從無到有搭建起來的。

圖13. 五年前實驗室剛剛興建，還是一間空屋子

值得一提的是，雙超流實驗使用的超冷原子系統是近年來十分先進的模擬系統。超冷原子由於其超高純凈性的特點，實現了很多凝聚態領域目前無法實現的模型，如今年的諾貝爾物理獎的索利斯、科斯特利茨提出的KT相變就是最先在超冷原子里實現的，而另一位獲獎者霍爾丹提出的模型，也是2014年利用超冷原子實現的。筆者在寫這篇文章時發現，從1962年開始，超流領域每隔15-20年就會產生一項諾貝爾獎，今年新鮮出爐的諾貝爾獎再次驗證了此規律。因此，筆者也十分期待這項剛剛起步的實驗，未來將產生更多優秀的成果。

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