制作人：墨子莎朗·白泽
出品单位：中国科学院计算机网络信息中心
9月27日，中国科学技术大学上海研究院潘建伟与同事陈玉敖、姚兴灿等人在国际上首次实现了一种新的物质量子态——质量不平衡玻色态-费米双超流体。 在这种双超流体中成功生成并观察到了玻色-费米量子涡晶格。
从字面意义上来说，这是冷原子“酷团队”完成的又一“国际首创”实验，至今仍一如既往地让公众表示“无法理解”。 不过，这篇文章在正式发表之前，就已经得到了多位诺贝尔奖获得者和其他行业领袖的称赞。 诺贝尔物理学奖获得者凯特勒（W.）评价其为“一项精彩的实验工作”。 ”；诺贝尔奖得主莱格特爵士（A.）认为，这是“一项极其重要的实验工作，无疑将刺激大量的理论研究”；麻省理工学院教授、著名物理学家兹威廉（M. ）称其为“超流体研究领域的里程碑式的工作”。
图1. 2001年诺贝尔物理学奖获得者德国科学家沃尔夫冈·科特勒
图 2. 2003 年诺贝尔物理学奖获得者安东尼·莱格特爵士
那么，这篇文章有何精彩之处，让这么多量子专家忍不住点赞呢？ 事实上，这篇文章背后的实验是伟大的天才们非常重视的。 在第九季第六集中，我听说有一个瑞士团队想和他们竞争做这个实验，但他们快疯了！
（图片来自搜狐视频《生活大爆炸》第9季第6集截图）
然而没想到的是，这个“超流涡流实验”（业内更俗称涡流实验，不是字幕中的涡流实验）竟然是由理大超冷原子团队完成的中国的技术，他们观察发现的全新物理现象，目前还没有理论可以解释，但很可能打开冷原子新世界的大门！
众所周知，“宇宙大爆炸”背后有一批拥有耀眼履历的科学家作为理论支撑，其中包括多名诺贝尔物理学奖获得者。 作为天才的代表，他所做的研究就是他超强天赋的最好体现。 最前沿的研究，所以编剧安排的超流涡旋实验其实是量子物理世界的一个“精英”领域，诞生了很多诺贝尔奖获得者。 今天，小编就在科学家的指导下，尝试讲解一下量子涡旋的原理及其辉煌的发展历史：
量子涡旋是超流性最迷人、最本质的表现形式，也是最直接的证据。 要了解量子涡旋，首先让我们了解什么是超流体。
我们知道，液体流动时，空气和容器壁会产生粘性力（阻力）阻碍其运动。 将液体通过直径1cm的玻璃管倒入容器中。 几乎在浇注停止的瞬间，玻璃管内部与容器内的液体齐平，这是粘性力可以忽略不计的情况； 如果使用直径为1mm的细玻璃管，粘性力会阻碍液体的运动，液体流动可能会变得极其缓慢或停止流动； 如果是直径为0.5μm（1μm=0.001mm）的玻璃缝，那么可以肯定任何普通条件下的液体都无法通过。
1937年，前苏联物理学家（P.）将玻色液氦4的温度冷却到2.17 K以下，神奇的现象发生了。 液氦快速流过0.5μm（1μm=0.001mm）宽的玻璃缝，他将这种没有粘度的流体称为超流体。 通俗地说，就是一种没有任何阻力的超流现象（）。
图 3.Peter
图4. 可以看出超流体的几个特点：零粘度（爬墙、穿过小间隙）、极大的热容（沸腾突然停止）、热机效应（喷泉）
严格来说，这是超流领域的第一个诺贝尔奖。 不过，由于卡皮察拒绝与艾伦和米塞纳分享诺贝尔奖，诺贝尔奖评审委员会才于1978年单独将诺贝尔物理学奖授予了他（有兴趣八卦的可以自行搜索）。
超流性的发现具有重要意义，因为它是一种可与超导相媲美的宏观量子效应。 掌握它的性质可以帮助我们更好地理解新物理世界中的各种现象。 例如，中子星的内部是超流体。 如果我们对超流体的性质有足够的理论基础，我们就可以了解中子星的结构，包括超导的各种性质，也可以通过对超流体的研究来模拟它们。
当然，卡皮察只是发现了这个现象。 其背后的原理以及如何发现更多的物质超流体态，还需要科学家们慢慢探索。
接下来，D. Lee、 (D.)、 (R.)等人成功地将液氦3冷却到2.5 mK以下，并首次观察到费米液体的超流性。 ，荣获1996年诺贝尔物理学奖。
图5. 1996年诺贝尔物理学奖的三位获得者
自然界中的粒子根据其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超流体的单独实现成为超流领域的巨大突破。 此后，物理学家开始尝试将它们混合在一起，实现一种新的物质量子态——玻色-费米双超流体，这比玻色子和费米子单独实现要困难得多。
科学家延续了卡皮察等人之前的液氦冷却方法。 即使液氦冷却到100μK以下，氦3和氦4的双超流仍然无法实现。 超流性的研究似乎已经到了瓶颈，但与此同时，超流性研究的另一个分支也在蓬勃发展，并逐渐取代液氦超流性的研究，成为超流性研究的主流。
20世纪40年代，物理学家昂萨格（L.，1968年诺贝尔化学奖获得者）、朗道（L.，1962年诺贝尔物理学奖获得者）和费曼（R.，1965年诺贝尔物理学奖获得者）物理学家获奖者）等人从理论上发现了量子涡旋。
图 6. Lars
图 7. Lev
什么是量子涡旋？ 我们都知道，木棍在水中搅拌会形成漩涡。 如果停止搅拌，涡流就会逐渐消失。
但超流体则不同。 首先，它在搅拌时不会产生涡流，也是任何搅拌棒都做不到的。 目前超流体涡流研究的主流是用激光作为“搅拌棒”，用光子作为容器（光陷阱），将超冷原子放入其中，并开始搅拌。 只有达到一定的临界速度时，超流体中才会开始出现涡流。 当“搅拌”持续匀速或加速时，奇妙的现象就会发生。 超流体表面开始出现多个漩涡，并且随着搅拌的次数不断增加，最终变成像这个煤球一样的状态。
图8.图中的黑点是量子涡旋。
由于这些漩涡的排列遵循最小能量原理，即用最低的能量来维持它们的漩涡状态，因此这些漩涡会自发地排列成非常规则的形状——这就是量子漩涡。 如果在实验中观察到像上图这样的蜂窝状量子涡旋晶格，则意味着有绝对的证据证明超流性的存在，并且通过研究量子涡旋，可以了解超流性的更多性质。
郎导等人当时的发现看似与液氦超流体实验没有太大关联，但对未来超冷原子超流体的研究具有重要意义。 因为液氦超流性可以通过冷却失去粘性并穿过玻璃缝来直接证明其超流态的存在，但后来的实验转向了超冷原子领域。 该领域的超流体实验使用稀疏。 气体无法用肉眼观察到，也无法构造“毛细管”来测试其粘度量子物理学家诺贝尔奖得主，为其超流体存在提供明确的证据。 这时，通过制造量子涡旋来证明超流体存在并进行进一步研究的实验就显得尤为重要。
1995年，康奈尔、维曼、凯特勒等人利用超冷原子（康奈尔和维曼使用铷原子，凯特勒使用钠原子）实现了玻色-爱因斯坦凝聚，或称玻色超凝聚。 流体（他们三人因实现爱因斯坦预言的超流体而共同获得2001年诺贝尔物理学奖），科学家们逐渐将注意力转向可控性和纯度更高的超冷原子，并用它们来研究超流体的各种性质。
图 9. 埃里克·康奈尔
图 10. 卡尔·维曼
阿布里科索夫（AA）从理论上发现，量子涡旋遵循最小能量原理，排列成周期性晶格结构； （A.）提出了新的量子理论，揭示了液氦- 3.费米超流性的机制，他们还共同获得了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体的理论研究氦超流。对于超冷原子超流的理论研究，目前还没有太大的进展，对偶超流领域基本是空白）。
图 11. 阿列克谢·阿列克谢维奇·阿布里科索夫
2005年，凯特勒团队利用锂原子实现了费米超流，并观察到了量子涡旋晶格。 精确的实验证明了费米超流性的存在。
前面提到，新的物质量子态玻色-费米双超流体的实现在液氦领域已经达到了瓶颈。 由此，超冷原子超流体的研究应运而生。 双超流体能否实现？ 科学家们进行了无数的尝试。
2011年，潘建伟、陈玉傲等人的超冷原子团队开始建设实验室，试图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，质量不平衡的玻色-费米双超流体）是平衡的。在不平衡的不同原子态下实现双超流性比较困难）。 由于在费米超流体中产生涡晶格非常困难，当时只有凯特勒团队掌握了实现这一技术的技术。 于是，他们从零开始，完全靠自己探索超冷原子的实验操控技术。 经过五年的努力，他们终于建成了一个国际领先的可以同时冷却和操纵锂和钾原子的实验平台。 他们利用独创的“圆盘交叉光阱”首次实现了质量不平衡的 Bose。 ——费米双超流体取得重大突破。 而且，他们还利用中国科学家细心、认真、勤奋的研究精神，将各种实验参数优化到极致，最终在10 nK的极低温度下获得了多达150万个锂原子和20万个钾原子。 双超流体。
图 12. Bose-Fermi 双超流体。 玻色超流体由钾原子气体组成，体积较小，像中间有一个原子核； 费米超流体由锂原子气体组成，体积较大。 就像围绕着它的光环
该团队还设计了一种极其精密的光学装置，产生两束直径为20微米的激光束，可以围绕双超流体对称旋转，就像搅拌咖啡的勺子一样量子物理学家诺贝尔奖得主，导致超流体相应旋转。 利用他们创造性开发的可同时对二元原子进行高分辨率成像的技术，通过精确调整旋转激光的位置、强度、频率等参数，最终成功产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶体。 网格。
看到这里，你就明白为什么那些量子物理大师们一开始对这个实验赞不绝口了。 他们的工作并不是对原始仪器的改进，而是彻底的创新，而且是双超冷原子。 流领域的巨大突破很可能导致大量实验的进展和多种理论的诞生。 而这一切都是由一群年轻的科学工作者在一个空荡荡的实验室里白手起家建立起来的。
图13. 实验室刚建五年，当时还是一间空房间。
图 14. 五年后完成的实验平台
值得一提的是，双超流实验所采用的超冷原子系统是近年来非常先进的模拟系统。 由于其超高纯度，超冷原子实现了许多目前在凝聚态物质领域无法实现的模型。 例如，今年诺贝尔物理学奖获得者索利斯和科斯特利茨提出的KT相变首次应用于超冷原子。 它是在冷原子中实现的，另一位获奖者提出的模型也在2014年使用超冷原子实现了。 在写这篇文章时，作者发现自1962年以来，每隔15-20年就会产生一个超流领域的诺贝尔奖。 今年新公布的诺贝尔奖再次验证了这一规律。 因此，笔者也非常期待这个初出茅庐的实验，未来能产生更加出色的成果。
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