我国科学家首次实现超流态"第二声"热波成像 量子研究取得重大突破

(问题)在日常经验中,热量往往从高温处向外扩散,最终趋于均匀,这是经典热传导的基本图景。但在某些极端量子态里,热不会“慢慢散开”,而会像声波一样以波包形式传播,形成被称为“第二声”的热波。长期以来,“第二声”虽在少数体系中有过间接观测,但在超冷量子气体中,热波的空间形貌、传播速度和衰减规律等关键特征一直难以直接捕捉,限制了对量子多体热输运的实验理解。 (原因)研究团队将原子气体冷却到接近绝对零度,使其进入超流状态。在这种状态下,流体可出现近乎无摩擦的集体运动,热与密度的耦合也与常规材料不同:普通声波对应密度涨落的传播,而“第二声”主要体现为温度或熵的波动传播。难点在于,超冷体系几乎不产生可用于热成像的红外辐射,传统测温手段难以实现对热波的时空追踪。为突破此瓶颈,研究人员开发了基于射频频谱的“热图绘制”方法:以锂-6费米原子为对象,利用其在不同温度下对射频信号响应的差异实现“温度分辨”,从而在不依赖红外辐射的情况下标记出相对更热的原子组分,并连续记录热量在超流体中往返传播的轨迹。借此,团队首次实现了对第二声在超冷费米超流体中传播过程的直接成像。 (影响)这项进展的价值不止于“看见一种特殊现象”。其一,它为检验量子多体理论提供了更直接的实验依据。第二声是超流体的重要表征,与两流体模型、熵输运以及相互作用强度等关键参数密切有关;成像数据可用于反推超流体的热学与动力学性质,推动对强关联费米体系的定量刻画。其二,该成果为材料科学与天体物理中的相关问题提供了可对照的实验图景。例如,高温超导体中配对机制、能隙结构与低能激发如何影响热输运仍存争议;而中子星内部可能存在的超流/超导组分及其对热演化、脉冲星自转异常等现象的作用,也需要可比照的实验体系来约束。超冷原子体系具备相互作用可调、环境可控的优势,可作为“可编程”的量子模拟平台,为这些复杂问题提供可检验的线索。 (对策)面向下一步研究,业内普遍认为可在三个方向继续推进:第一,提高成像的时间分辨率与温度分辨率,更精确测量第二声的色散关系、衰减机制,以及其与涡旋、缺陷等结构的耦合;第二,扩展到不同相互作用强度、不同维度和不同几何约束条件,系统比较热波传播从弱耦合到强耦合的演化;第三,加强与理论模型的协同,结合数值模拟与解析理论,建立可用于材料与致密天体研究的“可迁移”参数框架,使实验结果从现象展示继续转化为可计算、可预测的物理量。 (前景)从更宏观的角度看,热如何在量子材料与极端物质中传递,是理解“宏观可观测行为”如何由“微观量子规律”涌现的关键问题之一。此次对第二声的直接成像,为研究熵、温度与集体激发之间的关系打开了新的观测窗口。随着测量技术与操控能力提升,超冷原子平台有望在热输运、非平衡动力学、量子湍流等方向产出更多可复现、可对照的高质量数据,并为探索新型超导、量子器件热管理以及致密天体物态提供更可靠的实验支撑。

超流体中的“第二声”看似远离日常,却揭示了物质在极端量子条件下的深层规律;此次实现直接成像,不仅弥补了对应的研究中长期存在的实验缺口,也为连接理论描述与可观测量提供了新的路径。当科学家在接近绝对零度的条件下追踪热的波动,他们同时在为理解中子星等极端天体内部过程,以及材料中复杂的热输运机制提供参照。这类基础研究虽不直接对应即时应用,却可能在未来改变我们对能量传递、物质形态乃至宇宙演化的认识。