超流

1937年，前蘇聯物理學家P. Kapitza發現，將液氦-4的温度冷卻至2.17 K以下時，它能夠很快流過0.5 μm寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，一種可與超導媲美的宏觀量子效應。20世紀40年代，物理學家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人在理論上發現，旋轉超流體宏觀波函數中存在拓撲奇異點，原子會圍繞這些拓撲奇異點做旋轉運動——這就是所謂的量子渦旋。

物理學家對超流以及量子渦旋的研究已持續了近一個世紀，並獲得了多項諾貝爾物理學獎。P. Kapitza首次觀測到玻色液體的超流現象，獲得1978年諾貝爾物理學獎；L. Landau提出了超流體的量子理論，解釋並預言了超流體的許多重要性質，獲得1962年諾貝爾物理學獎；D. Lee、D. Osheroff、R. Richardson等人成功地將液氦-3冷卻至2.5 mK以下，並首次觀測到了費米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學獎；A. A. Abrikosov通過求解Ginzburg–Landau方程，發現量子渦旋會遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結構；A. Leggett提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費米超流的機理，他們因此分享了2003年諾貝爾物理學獎。

自從實現液氦-3費米超流以來，物理學家們就不斷嘗試將具有不同統計性質的兩種液氦混合在一起，以期能實現玻色-費米雙超流體這一全新的量子物態。科學家們認為在這種量子物態中將會存在一種獨特的相互作用，能夠被用來研究和理解超導中的電聲子耦合。令人遺憾的是，由於氦原子之間的相互作用太強，即使將液氦冷卻至100 μK以下，仍然無法實現氦-3和氦-4的雙超流。與液氦相比，超冷原子具有無與倫比的可控性與純淨性，已逐漸成為實現並研究超流體最為理想的物理體系。 ^[2] 

在2.17K以下，氦4進入超流態。超流的液氦具有以下性質：

首先，液氦能沿極細的毛細管（管徑約0.1微米）流動而幾乎不呈現任何粘滯性。這一現象最先由卡皮查於1937年觀察到，稱為超流性。

其次，如果用一細絲懸掛一薄盤浸於液氦中，讓圓盤作扭轉振動，則盤的運動將不受阻力。

第三，當液氦由容器A中通過多孔塞（或極細的毛細管）流出時，A內的液氦的温度升高。這一現象好如機械致熱效應。其逆過程稱為熱機械效應，即：當升高A內的温度時，其中液氦的液麪將上升，若A本身是一毛細管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱噴泉效應。

另外，液氦還具有極好的導熱性，熱導率為室温下銅的800倍。

以上這些性質都表現為宏觀現象，事實上卻是超流液氦的量子效應。不同於宏觀物體，微觀粒子除了座標空間的動量外，還有一種“內部”角動量——自旋。粗略地説，可以把它看成一個轉動的小陀螺，有一個小磁矩。具有半整數自旋的粒子稱為費米子，如電子、夸克，中微子，它們的自旋為1/2。具有整數自旋的粒子叫玻色子，如膠子，光子，引力子，W 及Z 玻色子，它們的自旋為1。對於費米子，由於泡利不相容原理的緣故，每個狀態只允許填一個粒子。而對於玻色子，粒子在各狀態上的填充數不受限制。温度降到一個特定值後，越來越多的玻色子處於能量最低的，也就是動量為零的狀態。這個現象叫做玻色—愛因斯坦凝聚。這裏所説的凝聚不是通常説的那種氣體變液體的凝聚，而是“動量凝聚”。也就是説，許多分子都轉到動量為零的狀態，這就使得它們在座標空間中還是在容器中的液體，而此時液體的流動性發生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉變就是這種“凝聚”。

超流是一種宏觀範圍內的量子效應。由於玻色—愛因斯坦凝聚，氦原子形成一個“抱團很緊”的集體。超流正是這種“抱團”現象的具體表現。

科學家首次在長程鐵磁體中發現自旋三重態超流。美國布朗大學和亞拉巴馬大學的這個發現突破了長期以來人們對量子物理的認識，並且可能給新興的自旋電子學帶來益處。這項研究發表在Nature雜誌上。

電流在不受電阻阻礙時，就會發生超導現象。超導在粒子加速器、磁共振成像和磁懸浮列車等方面有着廣泛的應用。根據量子物理理論，傳統的超導現象一般不會在鐵磁體中發生。當電子通過鐵磁晶體材料時，磁疇會重新排布，所以不會發生無電阻的超導現象。儘管曾經觀察到鐵磁體中的超流，但那只是因為電子在非常短的距離內沒有感受到電阻。

最近，荷蘭代夫特技術大學、美國布朗大學和亞拉巴馬大學組成的研究小組發現：一種奇特的鐵磁體中產生了自旋三重態超流。他們的實驗裝置在磁體中製備出電子自旋三重態，除了一般標準的自旋朝上和自旋朝下兩種狀態之外，他們還觀察到一種中間態。我們可以用行星的自轉想象一下，它們的旋轉方式有兩種：北極朝上或朝下。但是現在觀測到的第三種態相當於是行星繞着北極轉動了90度的軸旋轉。儘管理論中已經預言了鐵磁體中可能存在這種自旋三重態，但是這是首次在實驗中觀察到這種現象。

另外，研究小組還指出，這種超流可以流過一段相對較長的距離。以前的實驗中，夾在超導體之間的鐵磁體只允許一納米厚，現在能夠達到300納米。

布朗大學教授肖剛（音譯）和他的學生以及亞拉巴馬大學的同事花了八年時間來完善他們的鐵磁體。他們製出的鐵磁體呈黑色，只有郵票大小，厚度只有一個原子那麼厚。為了製造這種鐵磁體，他們把鉻的氧化物加熱成蒸汽，然後把蒸汽鍍到鈦的氧化物膜上，從而在鈦層上形成一層單晶層。然後，這種磁體被送到荷蘭代夫特技術大學，在那裏，研究人員們在鐵磁體表面放上很多微小的超導電極，在用電子束切割電極，形成300納米寬的間隙，最後就可以檢驗它的電流性質了。

肖剛希望這種新型的鐵磁體可以推進目前非常熱門的自旋電子學的發展。傳統的電子學通過電子電荷傳導電流，而自旋電子學則是傳導電荷和自旋信息，它們可以製造更小、更快、更廉價的計算機存儲器和處理器。自旋電子學在計算機硬盤上已經有應用了。目前，隨機存儲器和自旋晶體管也正在開發之中。

2016年，中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦等對超冷原子實驗操控技術進行了全方位的革新，搭建了一套可以同時冷卻操控鋰和鉀原子的世界領先的實驗平台。通過發展新一代的激光冷卻、高效率磁輸運、光阱陷俘、高分辨成像等核心技術，研究人員最終成功地在一種獨創的“碟片交叉光阱”中首次實現了質量不平衡的玻色-費米雙超流體。在實現玻色-費米雙超流體後，研究團隊迅速把目光投向玻色-費米量子渦旋的研究。他們通過各種努力將各項實驗參數優化到極致，最終在10 nK的極低温下，獲得了高達150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體，為產生和觀測玻色-費米量子渦旋奠定了堅實基礎。研究人員進一步設計了極其精巧的光學裝置，產生了兩束直徑為20 μm、可以對稱地圍繞雙超流體轉動的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉起來。利用他們創造性發展的能夠同時對雙組份原子進行高分辨成像的技術，通過精密調節旋轉激光的位置、光強、頻率等參數，最終成功地產生並觀測到了玻色-費米量子渦旋晶格。 由此在國際上首次實現了一種全新的量子物態——質量不平衡的玻色-費米雙超流體，並在該雙超流體中成功地產生和觀測到玻色-費米量子渦旋晶格。這一實驗發現開闢了超冷原子領域全新的研究方向，為理解複雜宏觀量子現象提供了一種獨特的研究手段。國際物理學頂級學術期刊《物理評論快報》以編輯推薦的形式發表了這項重要研究成果[Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]，並在美國物理學會網站Physics Synopsis欄目作亮點報道。諾貝爾物理學獎得主W. Ketterle評價其為“一個精彩絕倫的實驗工作”；諾貝爾物理學獎得主A. Leggett認為，這是“極為重要的實驗工作，將激發大量的理論研究”；麻省理工學院教授M. Zwierlein稱其為“超流研究領域一個里程碑式的工作”。 ^[1-2]