国际首次！中国实现全新量子物态

　　9月27日，中国科学技术大学上海研究院潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等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。

　　从字面意义上看，这是冷原子“酷之队”又完成的一项“国际首次”的实验，而且还是一如既往的让大众直呼“看不懂”。然而这篇文章在正式发表前，已经得到了多位诺贝尔奖获得者和其他业内大咖的赞赏，诺贝尔物理学奖得主克特勒（W. Ketterle）评价其为“一个精彩绝伦的实验工作”；诺贝尔物理学奖得主莱格特爵士（A. Leggett）认为，这是“极为重要的实验工作，毫无疑问将激发大量的理论研究”；麻省理工大学教授、著名物理学家茨威廉（M. Zwierlein）称其为“超流研究领域一个里程碑式的工作”。

　　德国科学家沃夫冈·克特勒，2001年诺贝尔物理奖获得者

　　安东尼·莱格特爵士，2003年诺贝尔物理奖获得者

　　那么，这篇文章到底牛在哪里，会让这么多量子大牛忍不住夸赞？事实上，这篇文章背后的实验，可是大天才Sheldon Cooper都十分重视的。第九季第六集里，Sheldon听说有个瑞士团队要跟他们抢做这个实验，可是都要急疯了！

　　（图片来自搜狐视频“生活大爆炸”第九季第六集截图）

　　然而Sheldon没想到的是，这个“超流体涡旋实验”（业内更通俗的说法是涡旋实验，而非字幕里的旋涡实验）已经被中国科大的超冷原子团队做出来了，而且，他们观测到的全新的物理现象，至今还没有理论可以解释，但很可能会打开冷原子新世界的大门！

　　众所周知，《The Big Bang Theory》背后有一众履历金光闪闪的科学家们做理论支持，其中不乏诺贝尔物理学奖获得者，作为天才的代表，Sheldon做的研究那都是最能体现他的超高天分的最前沿研究，所以编剧们给Sheldon安排的超流体涡旋实验，其实是量子物理界的“精英”领域，产生了多位诺贝尔奖获得者。今天，小编就在科学家的指导下，给大家试着解释一下量子涡旋的原理和其光辉的发展史：

　　量子涡旋是超流性最为迷人而又本质的体现，也是其最直接的证据。想要了解量子涡旋，首先我们来学习一下什么是超流体。

　　我们知道，液体在流动时，空气和容器器壁都会产生粘滞力（就是阻力）阻碍其运动，通过直径1cm的玻璃管向容器里倾倒液体，几乎在停止倾倒的瞬间，玻璃管内和容器内的液体齐平，这是粘滞力可忽略不计的情况；如果用直径1mm的玻璃细管，那么粘滞力就会阻碍液体的运行，很可能出现液体流动极其缓慢，或者停止流动的现象；如果是直径0.5 μm（1μm =0.001mm）的玻璃狭缝，那么可以肯定任何普通状况下的液体都无法通过。

　　1937年，前苏联物理学家卡皮查（P. Kapitza）将玻色液氦-4的温度冷却至2.17 K以下，神奇的现象出现了，液氦迅速地流过了0.5 μm（1μm =0.001mm）宽的玻璃狭缝，他将这种没有粘滞性的流体称之为超流，通俗一点的说，就是没有任何阻力的超级流动现象（Superfluidity）。

　　彼得·卡皮查

　　可以看到超流的几个特征：零粘滞（爬壁、穿过小缝）、热容量超大（沸腾突然停止）热机效应（喷泉）效应（喷泉）

　　严格意义上说，这是超流领域第一个诺贝尔奖成果，不过由于卡皮查拒绝与艾伦和米森那共享诺贝尔奖，导致诺贝尔奖评审委员会1978年才将诺贝尔物理奖单独授予他（这其中的八卦感兴趣者可以自行搜索）。

　　超流现象的发现意义重大，因其是一种可与超导媲美的宏观量子效应，掌握其性质可以帮助我们更好的理解新物理世界中的各种现象，比如中子星的内部就是超流体，如果我们对超流体的性质掌握了足够多的理论依据，就可以了解中子星的结构，包括超导的各种性质，也可以通过对超流的研究进行模拟。

　　当然，卡皮查只是发现了这种现象，究竟其中的原理如何，以及如何发现更多物质的超流态，还需要科学家们慢慢探索。

　　接下来，李（D. Lee）、奥谢罗夫（D. Osheroff）、理查孙（R. Richardson）等人成功地将液氦-3冷却至2.5 mK以下，并首次观测到了费米液体的超流性，获得1996年诺贝尔物理学奖。

　　1996年诺贝尔物理奖三位获奖者

　　自然界的粒子按照特性可分为玻色子和费米子两大类，因此，玻色氦-4和费米氦-3的超流体分别单独实现，都成为超流领域的巨大突破。在此之后，物理学家们开始尝试把它们混合在一起，实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态，而这比玻色子和费米子的单独实现要困难得多。

　　科学家们延续之前卡皮查等人的液氦冷却方法，即使将液氦冷却至100 μK以下，仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。对超流的研究似乎陷入了瓶颈，但与此同时，超流研究的另一个分支也在蓬勃发展，并逐渐取代液氦超流研究，成为超流研究的主流。

　　20世纪40年代，物理学家昂萨格（L. Onsager，1968年诺贝尔化学奖得主）、郎道（L. Landau，1962年诺贝尔物理学奖得主）、费曼（R. Feynman，1965年诺贝尔物理学奖得主）等人在理论上发现了量子涡旋。

　　拉斯·昂萨格 列夫·郎道

　　什么是量子涡旋呢？我们都知道，用木棍在水中搅动就会形成旋涡，停止搅拌，旋涡就渐渐消失了。

　　可是超流体就不太一样，首先，它不是一搅动就会有旋涡，也不是什么搅拌棒都可以的。现在超流涡旋研究的主流是用激光作为“搅拌棒”，用光子作为容器（光阱），将超冷原子放置其中，开始搅拌。只有达到了某个临界速度，超流体才会开始出现涡旋，当继续匀速或加速“搅拌”，奇妙的现象发生了，在超流体的表面开始出现了多个涡旋，并且随着搅拌数量不断增加，最后成为像这样蜂窝煤一样的状态。

　　图中一个个黑点就是量子涡旋了

　　由于这些涡旋的排列遵循能量最低原理，即用最低的能量保持其涡旋状态，所以这些涡旋会自发的排成非常规则的形状——这就是量子涡旋。如果在实验中观测到像上图这样蜂窝煤样子的量子涡旋晶格，就意味着有绝对的证据证明超流的存在，并且通过研究量子涡旋，可以了解超流的更多性质。

　　郎道等人当时的发现看似对液氦超流实验并无太大关联，但对未来超冷原子超流体的研究意义重大。因为液氦超流可以通过降温使其失去粘滞性和穿越玻璃狭缝的方式直接证明其超流态的存在，但是后期实验转向超冷原子领域，这一领域的超流实验则是利用稀薄气体，肉眼不可观测，也无法构建测试其粘滞性的“毛细管”，提供其超流存在的确切证据。这时，通过制造量子涡旋来证明超流体存在，并进一步研究的实验就显得尤为重要了。

　　1995年，康奈尔、维曼、克特勒等人利用超冷原子（康奈尔和维曼使用铷原子，克特勒使用钠原子）实现了玻色-爱因斯坦凝聚即玻色超流体（他们三人因为实现了爱因斯坦预言的超流体而分享了2001年诺贝尔物理奖）后，科学家们逐渐将目光投向可控性更高、纯净性更强的超冷原子，利用其研究超流体的各种性质。

　　埃里克·康奈尔

　　卡尔·维曼

　　阿布里科索夫（A. A. Abrikosov）理论上发现量子涡旋会遵循能量最低原则，排列成周期性的晶格结构；莱格特（A. Leggett）提出了一种新的量子理论，揭示了液氦-3费米超流的机理，他们还一起分享了2003年诺贝尔物理学奖（需要注意的是，这些理论研究都是围绕液氦超流的理论研究，对于超冷原子超流的理论研究，目前还没有很大的进展，双超流领域更是基本空白）。

　　阿列克谢·阿列克谢维奇·阿布里科索夫

　　2005年，克特勒小组又利用锂原子实现了费米超流，并观测到量子涡旋晶格，确切的实验证明了费米超流的存在。

　　前面讲到，实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态，在液氦领域已经陷入瓶颈，超冷原子超流体研究因此兴起，是否可以实现双超流体呢？科学家们做了无数的尝试。

　　2011年，潘建伟、陈宇翱等人的超冷原子小组开始搭建实验室，尝试实现质量不平衡的玻色-费米双超流体（氦-4和氦-3都属于氦原子，质量平衡，在质量不平衡的不同原子状态下实现双超流难度更大）。由于费米超流中产生涡旋晶格非常困难，当时只有克特勒小组掌握了实现的技术。因此他们是从零开始，完全自己摸索超冷原子的实验操控技术。经过五年的努力，他们终于搭建出了一套在国际上领先的、可以同时冷却操控锂和钾原子的实验平台，利用独创的“碟片交叉光阱”，国际首次实现质量不平衡的玻色-费米双超流体，实现了重大的突破。并且，他们还发挥了中国科学工作者细心、认真、努力的钻研精神，将各项实验参数优化到极致，最终在10 nK的极低温下，获得了高达150万锂原子和20万钾原子的双超流体。

　　玻色-费米双超流体，玻色超流是由钾原子气体构成的，体积较小，像一个核在中间；费米超流是由锂原子气体构成的，体积较大，就像光晕围绕在周围

　　团队还设计了极其精巧的光学装置，产生了两束直径为20 μm、可以对称地围绕双超流体转动的激光，如同搅拌咖啡用的勺子，使得超流体随之旋转起来。利用他们创造性发展的能够同时对双组份原子进行高分辨成像的技术，通过精密调节旋转激光的位置、光强、频率等参数，最终成功地产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶格。

　　看到这儿，大家能明白为什么开始那些量子物理大拿们会对这个实验赞不绝口了吧，他们的工作并非是在原有仪器上的改进，而是彻底的创新，并且是超冷原子双超流领域巨大的突破，很可能会带动一大批实验的进展和多个理论的诞生。而这一切，都是一群年轻的科学工作者们从一个空空的实验室、一点点从无到有搭建起来的。

　　五年前实验室刚刚兴建，还是一间空屋子

　　五年后搭建完成的实验平台

　　值得一提的是，双超流实验使用的超冷原子系统是近年来十分先进的模拟系统。超冷原子由于其超高纯净性的特点，实现了很多凝聚态领域目前无法实现的模型，如今年的诺贝尔物理奖的索利斯、科斯特利茨提出的KT相变就是最先在超冷原子里实现的，而另一位获奖者霍尔丹提出的模型，也是2014年利用超冷原子实现的。笔者在写这篇文章时发现，从1962年开始，超流领域每隔15-20年就会产生一项诺贝尔奖，今年新鲜出炉的诺贝尔奖再次验证了此规律。因此，笔者也十分期待这项刚刚起步的实验，未来将产生更多优秀的成果。