超流

物理学术语

超流（Super Fluidity）是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色-爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体，超流正是这种“抱团”现象的具体表现。物理学界对超流、量子涡旋的研究持续了近一个世纪，超冷原子凝聚的发展为此领域的研究提供了极具可操控性的理想平台，与此相关的研究成果曾7次获得诺贝尔物理学奖。

背景简介

1937年，前苏联物理学家P. Kapitza发现，将液氦-4的温度冷却至2.17 K以下时，它能够很快流过0.5 μm宽的玻璃狭缝，他将这种没有粘滞性的流体称之为超流，一种可与超导媲美的宏观量子效应。20世纪40年代，物理学家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人在理论上发现，旋转超流体宏观波函数中存在拓扑奇异点，原子会围绕这些拓扑奇异点做旋转运动——这就是所谓的量子涡旋。

物理学家对超流以及量子涡旋的研究已持续了近一个世纪，并获得了多项诺贝尔物理学奖。P. Kapitza首次观测到玻色液体的超流现象，获得1978年诺贝尔物理学奖；L. Landau提出了超流体的量子理论，解释并预言了超流体的许多重要性质，获得1962年诺贝尔物理学奖；D. Lee、D. Osheroff、R. Richardson等人成功地将液氦-3冷却至2.5 mK以下，并首次观测到了费米液体的超流性，获得1996年诺贝尔物理学奖；A. A. Abrikosov通过求解Ginzburg–Landau方程，发现量子涡旋会遵循能量最低原则，排列成周期性的晶格结构；A. Leggett提出了一种新的量子理论，揭示了液氦-3费米超流的机理，他们因此分享了2003年诺贝尔物理学奖。

自从实现液氦-3费米超流以来，物理学家们就不断尝试将具有不同统计性质的两种液氦混合在一起，以期能实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态。科学家们认为在这种量子物态中将会存在一种独特的相互作用，能够被用来研究和理解超导中的电声子耦合。令人遗憾的是，由于氦原子之间的相互作用太强，即使将液氦冷却至100 μK以下，仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。与液氦相比，超冷原子具有无与伦比的可控性与纯净性，已逐渐成为实现并研究超流体最为理想的物理体系。

超流现象

液氦性质

在2.17K以下，氦4进入超流态。超流的液氦具有以下性质：

首先，液氦能沿极细的毛细管（管径约0.1微米）流动而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到，称为超流性。

其次，如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中，让圆盘作扭转振动，则盘的运动将不受阻力。

第三，当液氦由容器A中通过多孔塞（或极细的毛细管）流出时，A内的液氦的温度升高。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应，即：当升高A内的温度时，其中液氦的液面将上升，若A本身是一毛细管，则将观察到液氦从上口喷出，故也称喷泉效应。

导热性

另外，液氦还具有极好的导热性，热导率为室温下铜的800倍。

以上这些性质都表现为宏观现象，事实上却是超流液氦的量子效应。不同于宏观物体，微观粒子除了坐标空间的动量外，还有一种“内部”角动量——自旋。粗略地说，可以把它看成一个转动的小陀螺，有一个小磁矩。具有半整数自旋的粒子称为费米子，如电子、夸克，中微子，它们的自旋为1/2。具有整数自旋的粒子叫玻色子，如胶子，光子，引力子，W 及Z 玻色子，它们的自旋为1。对于费米子，由于泡利不相容原理的缘故，每个状态只允许填一个粒子。而对于玻色子，粒子在各状态上的填充数不受限制。温度降到一个特定值后，越来越多的玻色子处于能量最低的，也就是动量为零的状态。这个现象叫做玻色—爱因斯坦凝聚。这里所说的凝聚不是通常说的那种气体变液体的凝聚，而是“动量凝聚”。也就是说，许多分子都转到动量为零的状态，这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体，而此时液体的流动性发生了突变。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流转变就是这种“凝聚”。

量子效应

超流是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色—爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。

自旋三重态

量子物理新认识

科学家首次在长程铁磁体中发现自旋三重态超流。美国布朗大学和亚拉巴马大学的这个发现突破了长期以来人们对量子物理的认识，并且可能给新兴的自旋电子学带来益处。这项研究发表在Nature杂志上。

超导现象

电流在不受电阻阻碍时，就会发生超导现象。超导在粒子加速器、磁共振成像和磁悬浮列车等方面有着广泛的应用。根据量子物理理论，传统的超导现象一般不会在铁磁体中发生。当电子通过铁磁晶体材料时，磁畴会重新排布，所以不会发生无电阻的超导现象。尽管曾经观察到铁磁体中的超流，但那只是因为电子在非常短的距离内没有感受到电阻。

三重态超流

最近，荷兰代夫特技术大学、美国布朗大学和亚拉巴马大学组成的研究小组发现：一种奇特的铁磁体中产生了自旋三重态超流。他们的实验装置在磁体中制备出电子自旋三重态，除了一般标准的自旋朝上和自旋朝下两种状态之外，他们还观察到一种中间态。我们可以用行星的自转想象一下，它们的旋转方式有两种：北极朝上或朝下。但是现在观测到的第三种态相当于是行星绕着北极转动了90度的轴旋转。尽管理论中已经预言了铁磁体中可能存在这种自旋三重态，但是这是首次在实验中观察到这种现象。

另外，研究小组还指出，这种超流可以流过一段相对较长的距离。以前的实验中，夹在超导体之间的铁磁体只允许一纳米厚，现在能够达到300纳米。

布朗大学教授肖刚（音译）和他的学生以及亚拉巴马大学的同事花了八年时间来完善他们的铁磁体。他们制出的铁磁体呈黑色，只有邮票大小，厚度只有一个原子那么厚。为了制造这种铁磁体，他们把铬的氧化物加热成蒸汽，然后把蒸汽镀到钛的氧化物膜上，从而在钛层上形成一层单晶层。然后，这种磁体被送到荷兰代夫特技术大学，在那里，研究人员们在铁磁体表面放上很多微小的超导电极，在用电子束切割电极，形成300纳米宽的间隙，最后就可以检验它的电流性质了。

肖刚希望这种新型的铁磁体可以推进目前非常热门的自旋电子学的发展。传统的电子学通过电子电荷传导电流，而自旋电子学则是传导电荷和自旋信息，它们可以制造更小、更快、更廉价的计算机存储器和处理器。自旋电子学在计算机硬盘上已经有应用了。目前，随机存储器和自旋晶体管也正在开发之中。

研究突破

2016年，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿等对超冷原子实验操控技术进行了全方位的革新，搭建了一套可以同时冷却操控锂和钾原子的世界领先的实验平台。通过发展新一代的激光冷却、高效率磁输运、光阱陷俘、高分辨成像等核心技术，研究人员最终成功地在一种独创的“碟片交叉光阱”中首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体。在实现玻色-费米双超流体后，研究团队迅速把目光投向玻色-费米量子涡旋的研究。他们通过各种努力将各项实验参数优化到极致，最终在10 nK的极低温下，获得了高达150万锂原子和20万钾原子的双超流体，为产生和观测玻色-费米量子涡旋奠定了坚实基础。研究人员进一步设计了极其精巧的光学装置，产生了两束直径为20 μm、可以对称地围绕双超流体转动的激光，如同搅拌咖啡用的勺子，使得超流体随之旋转起来。利用他们创造性发展的能够同时对双组份原子进行高分辨成像的技术，通过精密调节旋转激光的位置、光强、频率等参数，最终成功地产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶格。由此在国际上首次实现了一种全新的量子物态——质量不平衡的玻色-费米双超流体，并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这一实验发现开辟了超冷原子领域全新的研究方向，为理解复杂宏观量子现象提供了一种独特的研究手段。国际物理学顶级学术期刊《物理评论快报》以编辑推荐的形式发表了这项重要研究成果[Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]，并在美国物理学会网站Physics Synopsis栏目作亮点报道。诺贝尔物理学奖得主W. Ketterle评价其为“一个精彩绝伦的实验工作”；诺贝尔物理学奖得主A. Leggett认为，这是“极为重要的实验工作，将激发大量的理论研究”；麻省理工学院教授M. Zwierlein称其为“超流研究领域一个里程碑式的工作”。

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