科學家在量子氣體中觀察到“第二聲”

　　證實了70年前朗道提出的溫度波理論

　　“第二聲”也叫溫度波或熵波，是一種量子力學現象，目前只在超流液氦中才能觀察到。據物理學家組織網5月16日(北京時間)報道，最近，奧地利因斯布魯克大學和意大利特蘭托大學物理學家合作實驗，在量子氣體中也觀察到了這種溫度波的傳播，證實了列夫·朗道70年前假設的理論。相關論文發表在《自然》雜志上。

　　在低于臨界溫度時，一些液體會變成超流體而失去摩擦力。此外，超流狀態下液體的導熱性能極高，會以一種完全不同的溫度波的形式來傳輸能量。由于這種波很像聲波，因此也被稱為“第二聲”。為了解釋超流體的性質，物理學家列夫·朗道1941年發展了雙流體力學理論，他假設低溫下的液體包含超流液和普通液體兩部分，后者隨著溫度下降而逐漸消失。

　　迄今為止，人們只能在液氦和超冷量子氣體中觀察到超流動性。另一種超流系統是中子星，在原子核中也發現有超流現象的證據。超流性與超導性密切相關，后者是在低溫下表現的零電阻現象。

　　超冷量子氣體是把幾十萬個原子在真空容器中冷卻到接近絕對零度(零下273.15攝氏度)獲得的，利用激光能夠對此狀態下的粒子進行高精度地控制和操縱，因此是觀察量子力學現象，如超流動性的理想模型系統。“十多年來，雖然這一領域已有大量研究，但要在量子氣體中探測到第二聲現象還很困難。”因斯布魯克大學實驗物理學院、奧地利科學院量子光學與量子信息研究所的魯道夫·格里姆說，“然而到最后，證明它卻容易得讓人驚訝。”

　　在實驗室中，格里姆的量子物理學家小組準備了由30萬個鋰原子構成的量子氣體，用調制激光束給雪茄煙形的粒子云加熱，然后觀察到了溫度波的傳播。“雖然在超流氦里只產生了一個熵波，但我們的費米子氣體也顯出了一些熱膨脹，由此形成了可檢測的密度波。”格里姆解釋說，這也是研究人員第一次在量子氣體中檢測到超流體的不同部分。“在我們之前還無人做到這一點，這填補了費米子氣體研究中的一個基本缺口。”

　　該研究是因斯布魯克物理學家與意大利科學家長期合作的成果。特蘭托大學玻瑟—愛因斯坦凝聚中心小組領導之一是列夫·皮塔伊夫斯基，他也是列夫·朗道的學生。他們修改了朗道關于第二聲理論的描述，使之與實驗中近乎一維的幾何波形更加適應。魯道夫·格里姆說： “利用這一模型，解釋實驗的檢測結果變得更加容易。這一成果代表了我們合作的頂峰。”