用光和物质的量子流体来探测超流体

一个容器“桶”(红色)容纳光物质凝聚态(蓝色)。来源：FLEET

由光和物质组成的量子流体的“晃动”揭示了超流体的特性。

澳大利亚领导的一个物理学家团队成功地在容器激光器形成的“桶”中创造出了晃动的量子液体。

“这些量子流体预计会像海洋一样波浪起伏，但捕捉到海浪的清晰图像是一项实验挑战，”主要作者埃利泽·埃斯特雷乔博士说。

由澳大利亚国立大学(ANU)领导的研究小组在一个光学控制的桶中偶然地观察到了量子流体的波动运动，从而对这个奇特的混合光物质系统的有趣超流体特性有了新的认识。

超流体是粒子在不受阻力的情况下流动，舰队的研究人员正在研究未来在超低能量电子领域的应用。

往桶里装满量子流体会引起晃动

该研究小组在一个激光制造的“桶”中进行了实验，这个“桶”捕获了被称为激子极化子的粒子，激子是半导体中的混合光物质粒子。

在位置空间(左)和动量空间(右)中的晃动量子流体。慢了1亿倍。来源：FLEET

当这些粒子冷却时，它们会形成一个巨大的量子物体，称为玻色-爱因斯坦凝聚态(有时被称为物质的第五状态)，在这种凝聚态中，量子现象可以在宏观尺度上看到。

通讯作者Elena Ostrovskaya教授说:“冷却粒子失去的多余能量不会轻易消失，因此凝结物会表现出某种波动行为，这对凝结物的每次实现都是随机的。”

这种随机性使成像相机很难检测到瞬态振荡，因为它在实验中会被平均。

然而，幸运的是，“桶”是倾斜的。

“在大多数实验中，我们都尽量避免倾斜，因为它会使分析复杂化，”埃斯特雷乔博士说。

“但在这种情况下，‘恼人的’倾斜使振荡的观测成为可能，因为它有利于凝结物沿倾斜方向的晃动。

在凝聚物的位置和动量上观察到晃动振荡，在普通显微镜下可以看到的宏观尺度上完美地展示了量子力学的定律。然而，这种振荡非常快，所以只能用一架皮秒级时间分辨率的照相机来观察。

研究超流体中的声速

实验的真正之美在于对振荡频率的分析，因为它直接与声速有关，可以探测量子流体的超流体性质。这一点尤其重要，因为这种特殊的量子流体可以在室温下存在，因此有望在设备上应用。

通过巧妙的分析，该团队从实验数据中提取了声速，并发现它比现有理论预期的要小。研究小组认为，这种差异源于一种不可见的热物质粒子库的存在，这种热物质粒子与混合光物质粒子相互作用。

此外，该实验还提供了线索，可以减缓超流体的可能影响。在绝对零度的温度下，振荡预计永远不会结束，因为系统是超流体。然而，在有限的温度下，情况并非如此，所以研究振荡的阻尼率对于理解超流体是至关重要的。

初步结果表明，无论是储层粒子，有限温度，或固有的短寿命激子极化激子都不能单独解释所观察到的阻尼率。因此，需要进一步的理论研究，结合这些效应和精心控制的实验，以更好地理解非平衡量子流体。

作为编辑的建议，《物理评论快报》于2021年2月在《激子-极化激子凝聚物中的低能量集体振荡和波戈柳波夫声》发表。

超流体现象的量子机制与未来技术应用

超流体是一种物质状态，其中液体在没有粘性的情况下流动。这种现象最初在液氦（特别是氦-4）中被观察到，并且在接近绝对零度的极低温度下出现。超流体性质的发现为量子力学在宏观尺度上的直接表现提供了一个非常清晰的例子，并且对凝聚态物理学、量子物理学和材料科学等领域的理论和实验研究产生了深远的影响。

超流体的理论基础

超流体的理论基础主要依赖于玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和量子场论。在超低温条件下，玻色子（如氦-4原子）可以聚集在能量最低的量子态，形成一个宏观的量子相干状态，即玻色-爱因斯坦凝聚。这种凝聚状态下的粒子表现出非常规的流动性质，如无粘流动和通过狭窄通道的超流。

量子涡旋

在超流体中，流动的量子化也是一个关键特征。超流体的旋转只能通过量子涡旋的形式出现，这些涡旋具有离散的循环量。量子涡旋的存在和动力学对于理解超流体的行为至关重要。

超流体的实验观察

超流体最初是在液氦-4中观察到的，当温度降至大约2.17K（兰姆达点）时，液氦展现出超流性。此后，科学家们也在氦-3（一种费米子系统）中观察到了超流性，尽管其机制与氦-4不同，涉及到费米子配对和BEC的形成。

应用

超流体的独特性质使其在多个科技领域中具有潜在的应用价值：

未来研究方向

尽管超流体已经被广泛研究，但仍有许多未解之谜和挑战，特别是在高压和高温条件下超流体的行为、超流体与其他量子相的相互作用、以及如何在室温条件下实现类似的量子流体状态等方面。

总结来说，超流体不仅是一个引人入胜的物理现象，也为探索量子世界的基本原理和开发新技术提供了丰富的平台。随着实验技术的进步和理论的发展，我们可以期待在未来看到更多关于超流体的深入研究和创新应用。

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