PRL重磅提案：在約瑟夫森結里探測量子真空的熱浴

要找到一個能將量子力學和廣義相對論這兩個看似不相干的領域統一起來的理論，是現代物理學最核心的挑戰。雖然廣義相對論可以很好地描述宏觀世界的引力效應，而量子場論則主宰著微觀粒子的行為，但一個能同時描述這兩者的統一框架至今仍未出現。

Fulling-Davies-Unruh (FDU) 效應就是在這個交叉點上一個至關重要的理論預測。它認為，一個處于勻加速狀態下的觀測者，會感覺到真空不再是空無一物，而是一個充滿粒子的溫暖“熱浴”。這個反直覺的現象源于觀測者的運動改變了他們對量子真空漲落的感知。然而，直接觀測FDU效應是一個極其艱巨的挑戰，因為它所需的加速度極高——大約102?m/s2才能產生僅1開爾文的溫度。

由于這個實驗上的巨大障礙，研究人員開始探索模擬引力系統，即在更易于操作的凝聚態物理環境中模擬復雜的引力現象。最近，發表在PRL上一個極具創新性的提案提出利用耦合環形約瑟夫森結來模擬圓周運動中的FDU效應。這種方法提供了一個強大且在實驗上可行的平臺，有望首次驗證這個基礎的量子場論預測。

Fulling-Davies-Unruh效應：一個虛幻的熱量

FDU效應，通常也簡稱為Unruh效應，是不同參照系如何看待量子真空的一個深刻結果。一個處于靜止或勻速運動狀態下的慣性觀測者，認為真空是一個沒有粒子的狀態。然而，對于一個處于勻加速狀態下的觀測者來說，“粒子”的定義本身就改變了。從他們的視角來看，慣性觀測者眼中的真空會呈現出一種熱力學狀態，充滿著粒子。這種表觀溫度被稱為Unruh溫度(TU)，它與觀測者的加速度(a)成正比：

其中?是約化普朗克常數，kB是玻爾茲曼常數，c是光速。這個方程揭示了為何直接觀測如此困難：需要巨大的加速度才能產生微小的可測溫度。例如，要達到1開爾文的溫度，加速度必須達到2.5?102?m/s2，這遠遠超出了目前任何線性加速技術的范疇。

約瑟夫森結作為量子模擬器

約瑟夫森結是連接量子力學和經典電子學的超導器件，它由兩塊超導體通過一層薄絕緣層隔開。約瑟夫森結的核心特征是約瑟夫森效應，它允許庫珀對電子在沒有電壓降的情況下量子隧穿過絕緣層。這產生了一種取決于兩側超導波函數相位差的超導電流。

在這項研究中，一個由兩個耦合的環形約瑟夫森結組成的系統，為模擬FDU效應提供了一個獨特的環境。在這些環中，磁通量的流動是量子化的，由此產生的磁通量子，即磁通子（以及它們的反粒子，反磁通子），表現得就像有質量的相對論性粒子。該論文提出，耦合環內一個亞穩態的磁通子-反磁通子對可以充當Unruh效應的“探測器”或“觀測者”。

模擬系統：從線性加速到圓周加速

這項工作的關鍵洞察在于，它將傳統上無法實現的線性加速轉變為勻速圓周運動。一個以恒定速度在圓周上運動的物體仍然會受到一個持續指向圓心的向心加速度。這個加速度的大小為a=γ2v2/R，其中v是速度，R是圓周半徑，γ是洛倫茲因子。通過使半徑R非常小，并使速度v接近結內電磁波的特征光速，可以達到足以產生可探測Unruh溫度的高加速度。這正是耦合環形約瑟夫森結的完美之處。它們可以制造微米級別的環，并且結內電磁波的速度遠低于真空中的光速，使得磁通子-反磁通子對有可能達到相對論性的速度。

研究人員提出，探測Unruh效應的方法不是測量激發率（這在該系統中很難實現），而是通過觀察亞穩態磁通子-反磁通子對的衰變。圓周運動引起的Unruh效應會產生一個類似熱浴的環境，來自這種“虛幻熱量”的漲落提供了觸發粒子對衰變所需的能量。這種衰變是一個自發的、熱激活的事件，它會導致結上產生可測量的電壓跳變。這些電壓跳變的分布對有效溫度敏感，而有效溫度反過來就是由加速度引起的Unruh效應的直接標志。

影響和未來前景

這個理論框架是朝著實驗驗證FDU效應邁出的重要一步。通過將范式從線性加速轉向圓周加速，并利用耦合環形約瑟夫森結的獨特屬性，該設想的裝置規避了以往嘗試中看似不可逾越的技術障礙。

創建和精確操控這類量子模擬系統的能力，為在可控的實驗室環境中探索基礎物理問題開辟了新途徑。除了FDU效應，這個研究平臺還可以用于研究其他處于相對論和量子場論交叉點的復雜現象，例如霍金輻射或彎曲時空中的量子場行為。如果成功，利用該系統對FDU效應的實驗驗證不僅會證實量子場論的一個關鍵預測，還將為量子世界和引力宇宙之間提供一個切實的聯系，推動我們更接近于對宇宙的完整理解。