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德國科學(xué)家沃夫?qū)た颂乩眨?001年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者

安東尼·萊格特爵士，2003年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者

　　那么，這篇文章到底牛在哪里，會(huì)讓這么多量子大牛忍不住夸贊？事實(shí)上，這篇文章背后的實(shí)驗(yàn)，可是大天才Sheldon Cooper都十分重視的。第九季第六集里，Sheldon聽說有個(gè)瑞士團(tuán)隊(duì)要跟他們搶做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可是都要急瘋了！

（圖片來自搜狐視頻“生活大爆炸”第九季第六集截圖）

　　然而Sheldon沒想到的是，這個(gè)“超流體渦旋實(shí)驗(yàn)”（業(yè)內(nèi)更通俗的說法是渦旋實(shí)驗(yàn)，而非字幕里的旋渦實(shí)驗(yàn)）已經(jīng)被中國科大的超冷原子團(tuán)隊(duì)做出來了，而且，他們觀測到的全新的物理現(xiàn)象，至今還沒有理論可以解釋，但很可能會(huì)打開冷原子新世界的大門！
　　眾所周知，《The Big Bang Theory》背后有一眾履歷金光閃閃的科學(xué)家們做理論支持，其中不乏諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，作為天才的代表，Sheldon做的研究那都是最能體現(xiàn)他的超高天分的最前沿研究，所以編劇們給Sheldon安排的超流體渦旋實(shí)驗(yàn)，其實(shí)是量子物理界的“精英”領(lǐng)域，產(chǎn)生了多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。今天，小編就在科學(xué)家的指導(dǎo)下，給大家試著解釋一下量子渦旋的原理和其光輝的發(fā)展史：
　　量子渦旋是超流性最為迷人而又本質(zhì)的體現(xiàn)，也是其最直接的證據(jù)。想要了解量子渦旋，首先我們來學(xué)習(xí)一下什么是超流體。
　　我們知道，液體在流動(dòng)時(shí)，空氣和容器器壁都會(huì)產(chǎn)生粘滯力（就是阻力）阻礙其運(yùn)動(dòng)，通過直徑1cm的玻璃管向容器里傾倒液體，幾乎在停止傾倒的瞬間，玻璃管內(nèi)和容器內(nèi)的液體齊平，這是粘滯力可忽略不計(jì)的情況；如果用直徑1mm的玻璃細(xì)管，那么粘滯力就會(huì)阻礙液體的運(yùn)行，很可能出現(xiàn)液體流動(dòng)極其緩慢，或者停止流動(dòng)的現(xiàn)象；如果是直徑0.5 μm（1μm =0.001mm）的玻璃狹縫，那么可以肯定任何普通狀況下的液體都無法通過。

　　1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查（P. Kapitza）將玻色液氦-4的溫度冷卻至2.17 K以下，神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了，液氦迅速地流過了0.5 μm（1μm =0.001mm）寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，通俗一點(diǎn)的說，就是沒有任何阻力的超級(jí)流動(dòng)現(xiàn)象（Superfluidity）。

彼得·卡皮查

可以看到超流的幾個(gè)特征：零粘滯（爬壁、穿過小縫）、熱容量超大（沸騰突然停止）熱機(jī)效應(yīng)（噴泉）效應(yīng)（噴泉）

　　嚴(yán)格意義上說，這是超流領(lǐng)域第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)成果，不過由于卡皮查拒絕與艾倫和米森那共享諾貝爾獎(jiǎng)，導(dǎo)致諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)1978年才將諾貝爾物理獎(jiǎng)單獨(dú)授予他（這其中的八卦感興趣者可以自行搜索）。
　　超流現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)意義重大，因其是一種可與超導(dǎo)媲美的宏觀量子效應(yīng)，掌握其性質(zhì)可以幫助我們更好的理解新物理世界中的各種現(xiàn)象，比如中子星的內(nèi)部就是超流體，如果我們對(duì)超流體的性質(zhì)掌握了足夠多的理論依據(jù)，就可以了解中子星的結(jié)構(gòu)，包括超導(dǎo)的各種性質(zhì)，也可以通過對(duì)超流的研究進(jìn)行模擬。
　　當(dāng)然，卡皮查只是發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，究竟其中的原理如何，以及如何發(fā)現(xiàn)更多物質(zhì)的超流態(tài)，還需要科學(xué)家們慢慢探索。
　　接下來，李（D. Lee）、奧謝羅夫（D. Osheroff）、理查孫（R. Richardson）等人成功地將液氦-3冷卻至2.5 mK以下，并首次觀測到了費(fèi)米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1996年諾貝爾物理獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)?wù)?/p>

　　自然界的粒子按照特性可分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，因此，玻色氦-4和費(fèi)米氦-3的超流體分別單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，都成為超流領(lǐng)域的巨大突破。在此之后，物理學(xué)家們開始嘗試把它們混合在一起，實(shí)現(xiàn)玻色-費(fèi)米雙超流體這一全新的量子物態(tài)，而這比玻色子和費(fèi)米子的單獨(dú)實(shí)現(xiàn)要困難得多。
　　科學(xué)家們延續(xù)之前卡皮查等人的液氦冷卻方法，即使將液氦冷卻至100 μK以下，仍然無法實(shí)現(xiàn)氦-3和氦-4的雙超流。對(duì)超流的研究似乎陷入了瓶頸，但與此同時(shí)，超流研究的另一個(gè)分支也在蓬勃發(fā)展，并逐漸取代液氦超流研究，成為超流研究的主流。
　　20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家昂薩格（L. Onsager，1968年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）、郎道（L. Landau，1962年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）、費(fèi)曼（R. Feynman，1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）等人在理論上發(fā)現(xiàn)了量子渦旋。

拉斯·昂薩格 列夫·郎道

　　什么是量子渦旋呢？我們都知道，用木棍在水中攪動(dòng)就會(huì)形成旋渦，停止攪拌，旋渦就漸漸消失了。

　　可是超流體就不太一樣，首先，它不是一攪動(dòng)就會(huì)有旋渦，也不是什么攪拌棒都可以的。現(xiàn)在超流渦旋研究的主流是用激光作為“攪拌棒”，用光子作為容器（光阱），將超冷原子放置其中，開始攪拌。只有達(dá)到了某個(gè)臨界速度，超流體才會(huì)開始出現(xiàn)渦旋，當(dāng)繼續(xù)勻速或加速“攪拌”，奇妙的現(xiàn)象發(fā)生了，在超流體的表面開始出現(xiàn)了多個(gè)渦旋，并且隨著攪拌數(shù)量不斷增加，最后成為像這樣蜂窩煤一樣的狀態(tài)。

圖中一個(gè)個(gè)黑點(diǎn)就是量子渦旋了

　　由于這些渦旋的排列遵循能量最低原理，即用最低的能量保持其渦旋狀態(tài)，所以這些渦旋會(huì)自發(fā)的排成非常規(guī)則的形狀——這就是量子渦旋。如果在實(shí)驗(yàn)中觀測到像上圖這樣蜂窩煤樣子的量子渦旋晶格，就意味著有絕對(duì)的證據(jù)證明超流的存在，并且通過研究量子渦旋，可以了解超流的更多性質(zhì)。
　　郎道等人當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)看似對(duì)液氦超流實(shí)驗(yàn)并無太大關(guān)聯(lián)，但對(duì)未來超冷原子超流體的研究意義重大。因?yàn)橐汉こ骺梢酝ㄟ^降溫使其失去粘滯性和穿越玻璃狹縫的方式直接證明其超流態(tài)的存在，但是后期實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向超冷原子領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的超流實(shí)驗(yàn)則是利用稀薄氣體，肉眼不可觀測，也無法構(gòu)建測試其粘滯性的“毛細(xì)管”，提供其超流存在的確切證據(jù)。這時(shí)，通過制造量子渦旋來證明超流體存在，并進(jìn)一步研究的實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要了。
　　1995年，康奈爾、維曼、克特勒等人利用超冷原子（康奈爾和維曼使用銣原子，克特勒使用鈉原子）實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚即玻色超流體（他們?nèi)艘驗(yàn)閷?shí)現(xiàn)了愛因斯坦預(yù)言的超流體而分享了2001年諾貝爾物理獎(jiǎng)）后，科學(xué)家們逐漸將目光投向可控性更高、純凈性更強(qiáng)的超冷原子，利用其研究超流體的各種性質(zhì)。

埃里克·康奈爾

卡爾·維曼

　　阿布里科索夫（A. A. Abrikosov）理論上發(fā)現(xiàn)量子渦旋會(huì)遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結(jié)構(gòu)；萊格特（A. Leggett）提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費(fèi)米超流的機(jī)理，他們還一起分享了2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（需要注意的是，這些理論研究都是圍繞液氦超流的理論研究，對(duì)于超冷原子超流的理論研究，目前還沒有很大的進(jìn)展，雙超流領(lǐng)域更是基本空白）。

阿列克謝·阿列克謝維奇·阿布里科索夫

　　2005年，克特勒小組又利用鋰原子實(shí)現(xiàn)了費(fèi)米超流，并觀測到量子渦旋晶格，確切的實(shí)驗(yàn)證明了費(fèi)米超流的存在。
　　前面講到，實(shí)現(xiàn)玻色-費(fèi)米雙超流體這一全新的量子物態(tài)，在液氦領(lǐng)域已經(jīng)陷入瓶頸，超冷原子超流體研究因此興起，是否可以實(shí)現(xiàn)雙超流體呢？科學(xué)家們做了無數(shù)的嘗試。
　　2011年，潘建偉、陳宇翱等人的超冷原子小組開始搭建實(shí)驗(yàn)室，嘗試實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不平衡的玻色-費(fèi)米雙超流體（氦-4和氦-3都屬于氦原子，質(zhì)量平衡，在質(zhì)量不平衡的不同原子狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)雙超流難度更大）。由于費(fèi)米超流中產(chǎn)生渦旋晶格非常困難，當(dāng)時(shí)只有克特勒小組掌握了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。因此他們是從零開始，完全自己摸索超冷原子的實(shí)驗(yàn)操控技術(shù)。經(jīng)過五年的努力，他們終于搭建出了一套在國際上領(lǐng)先的、可以同時(shí)冷卻操控鋰和鉀原子的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用獨(dú)創(chuàng)的“碟片交叉光阱”，國際首次實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不平衡的玻色-費(fèi)米雙超流體，實(shí)現(xiàn)了重大的突破。并且，他們還發(fā)揮了中國科學(xué)工作者細(xì)心、認(rèn)真、努力的鉆研精神，將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化到極致，最終在10 nK的極低溫下，獲得了高達(dá)150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體。

玻色-費(fèi)米雙超流體，玻色超流是由鉀原子氣體構(gòu)成的，體積較小，像一個(gè)核在中間；費(fèi)米超流是由鋰原子氣體構(gòu)成的，體積較大，就像光暈圍繞在周圍

　　團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了極其精巧的光學(xué)裝置，產(chǎn)生了兩束直徑為20 μm、可以對(duì)稱地圍繞雙超流體轉(zhuǎn)動(dòng)的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉(zhuǎn)起來。利用他們創(chuàng)造性發(fā)展的能夠同時(shí)對(duì)雙組份原子進(jìn)行高分辨成像的技術(shù)，通過精密調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)激光的位置、光強(qiáng)、頻率等參數(shù)，最終成功地產(chǎn)生并觀測到了玻色-費(fèi)米量子渦旋晶格。
　　看到這兒，大家能明白為什么開始那些量子物理大拿們會(huì)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)贊不絕口了吧，他們的工作并非是在原有儀器上的改進(jìn)，而是徹底的創(chuàng)新，并且是超冷原子雙超流領(lǐng)域巨大的突破，很可能會(huì)帶動(dòng)一大批實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展和多個(gè)理論的誕生。而這一切，都是一群年輕的科學(xué)工作者們從一個(gè)空空的實(shí)驗(yàn)室、一點(diǎn)點(diǎn)從無到有搭建起來的。

五年前實(shí)驗(yàn)室剛剛興建，還是一間空屋子

五年后搭建完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　值得一提的是，雙超流實(shí)驗(yàn)使用的超冷原子系統(tǒng)是近年來十分先進(jìn)的模擬系統(tǒng)。超冷原子由于其超高純凈性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了很多凝聚態(tài)領(lǐng)域目前無法實(shí)現(xiàn)的模型，如今年的諾貝爾物理獎(jiǎng)的索利斯、科斯特利茨提出的KT相變就是最先在超冷原子里實(shí)現(xiàn)的，而另一位獲獎(jiǎng)?wù)呋魻柕ぬ岢龅哪Ｐ停彩?014年利用超冷原子實(shí)現(xiàn)的。筆者在寫這篇文章時(shí)發(fā)現(xiàn)，從1962年開始，超流領(lǐng)域每隔15-20年就會(huì)產(chǎn)生一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，今年新鮮出爐的諾貝爾獎(jiǎng)再次驗(yàn)證了此規(guī)律。因此，筆者也十分期待這項(xiàng)剛剛起步的實(shí)驗(yàn)，未來將產(chǎn)生更多優(yōu)秀的成果。