科学家在量子气体中观察到“第二声”

“第二声”也叫温度波或熵波，是一种量子力学现象，目前只在超流液氦中才能观察到。据物理学家组织网5月16日（北京时间）报道，最近，奥地利因斯布鲁克大学和意大利特兰托大学物理学家合作实验，在量子气体中也观察到了这种温度波的传播，证实了列夫·朗道70年前假设的理论。相关论文发表在《自然》杂志上。
　　
　　在低于临界温度时，一些液体会变成超流体而失去摩擦力。此外，超流状态下液体的导热性能极高，会以一种完全不同的温度波的形式来传输能量。由于这种波很像声波，因此也被称为“第二声”。为了解释超流体的性质，物理学家列夫·朗道1941年发展了双流体力学理论，他假设低温下的液体包含超流液和普通液体两部分，后者随着温度下降而逐渐消失。
　　
　　迄今为止，人们只能在液氦和超冷量子气体中观察到超流动性。另一种超流系统是中子星，在原子核中也发现有超流现象的证据。超流性与超导性密切相关，后者是在低温下表现的零电阻现象。
　　
　　超冷量子气体是把几十万个原子在真空容器中冷却到接近绝对零度（零下273.15摄氏度）获得的，利用激光能够对此状态下的粒子进行高精度地控制和操纵，因此是观察量子力学现象，如超流动性的理想模型系统。“十多年来，虽然这一领域已有大量研究，但要在量子气体中探测到第二声现象还很困难。”因斯布鲁克大学实验物理学院、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的鲁道夫·格里姆说，“然而到最后，证明它却容易得让人惊讶。”
　　
　　在实验室中，格里姆的量子物理学家小组准备了由30万个锂原子构成的量子气体，用调制激光束给雪茄烟形的粒子云加热，然后观察到了温度波的传播。“虽然在超流氦里只产生了一个熵波，但我们的费米子气体也显出了一些热膨胀，由此形成了可检测的密度波。”格里姆解释说，这也是研究人员第一次在量子气体中检测到超流体的不同部分。“在我们之前还无人做到这一点，这填补了费米子气体研究中的一个基本缺口。”
　　
　　该研究是因斯布鲁克物理学家与意大利科学家长期合作的成果。特兰托大学玻瑟—爱因斯坦凝聚中心小组领导之一是列夫·皮塔伊夫斯基，他也是列夫·朗道的学生。他们修改了朗道关于第二声理论的描述，使之与实验中近乎一维的几何波形更加适应。鲁道夫·格里姆说：“利用这一模型，解释实验的检测结果变得更加容易。这一成果代表了我们合作的顶峰。”