最新突破：科學家首次定量刻畫強相互作用費米氣體的互摩擦

發表在《自然·通訊》上的論文 《強相互作用費米超流體中的互摩擦與渦旋霍爾角》，是量子流體動力學領域的一個重要里程碑。該研究首次定量地刻畫了在幺正費米氣體（Unitary Fermi Gas, UFG）中作用于量子渦旋的耗散力——這種氣體代表了目前已知相互作用最強的費米子物質形式。

該研究回答了一個多體物理中的基本問題：在一個粒子間耦合達到極限的系統中，像“渦旋”這樣的拓撲缺陷是如何與周圍環境交換能量和動量的？

1. 微觀核心問題：什么是互摩擦？

在絕對零度的“純”超流體中，量子渦旋的運動理論上是無損的。然而，在任何有限溫度（T > 0）下，系統中總會存在一部分“正常”流體組分（由熱激發的準粒子組成）。當渦旋運動時，它會與這些準粒子發生散射，導致超流組分與正常組分之間的耦合。這種相互作用由兩個互摩擦系數來描述：

• 縱向系數 (α)：描述“耗散”部分。它類似于傳統的阻力，會消耗渦旋的能量，使其軌跡向陷阱中心螺旋塌縮或衰減。
• 橫向系數 (α')：描述“反應”部分。它產生一個垂直于渦旋運動方向的力，導致渦旋偏離預期的流體動力學路徑。

在弱相互作用系統（如 BEC 極限）中，這些系數已被較好地理解。但在幺正極限下（散射長度趨于無窮大，系統處于 BEC 與 BCS 超流的過渡區），這些系數的具體數值和行為此前一直是物理學界的未解之謎。

2. 實驗創新：軌道運動的渦旋

為了測量這些難以捕捉的系數，意大利 LENS 實驗室的研究團隊設計了一個精巧的實驗。他們利用磁場控制 Feshbach 共振，制備了?Li原子的二維強相互作用費米氣體。

研究者并沒有觀察復雜的湍流團塊，而是構建了一個極簡的渦旋構型：一個自由渦旋繞著一個被“釘扎”的反渦旋（即渦旋偶極子）做軌道運動。

1. 制備：利用數字微鏡器件（DMD）調制光場電勢，將一個反渦旋鎖定在中心，同時讓另一個渦旋在其周圍旋轉。
2. 觀測：通過追蹤自由渦旋隨時間演化的螺旋軌跡，研究者可以將運動分解為徑向和角向分量。
3. 提取：徑向漂移（向內或向外螺旋）直接給出了縱向系數α，而軌道速度的偏差則提供了橫向系數α'。

3. 渦旋霍爾角與核心態

該論文最引人注目的結果之一是確定了渦旋霍爾角（Vortex Hall Angle, ΘH）。在電子系統中，霍爾角反映了縱向電阻與橫向電阻的比值；而在超流體中，它刻畫了渦旋相對于背景流動的運動方向。

研究發現，ΘH與渦旋核心內束縛的準粒子的弛豫時間 (τ) 密切相關。在費米超流體中，渦旋核心并不是完全真空的，而是充滿了被稱為 CdGM 束縛態（Caroli–de Gennes–Matricon states）的局域化狀態。

實驗數據表明：

• 隨著溫度接近臨界溫度 Tc，互摩擦系數顯著增大。
• 即便是在這種強相互作用極限下，其動力學行為竟然可以用最初為超流氦-3（3He）開發的解析模型進行極佳的描述。這揭示了費米超流體的一種深層普適性。

4. 科學意義：從實驗室到中子星

這項工作的意義遠超超冷原子實驗室：

• 量子湍流：通過測量α和α'，團隊計算了渦旋雷諾數 (Reα)。這個數值決定了流體是平滑流動的（層流）還是會破碎成混沌的量子湍流。
• 天體物理：觀測到的中子星“突變”（被認為是由中子星超流殼層中渦旋的突然脫釘和運動引起的。這篇論文測得的摩擦系數為理解這種極端致密物質中的渦旋動力學提供了實驗室參考。
• 基礎物理驗證：實驗數據與超流3He理論的高度吻合，證實了 CdGM 束縛態 是費米超流體中耗散產生的主要“引擎”，驗證了數十年前關于微觀態如何驅動宏觀輸運的理論預言。

總結

Grani 等人的論文將“渦旋摩擦”從一個理論抽象概念變成了可測量的物理現實。它證明了核心束縛態與熱激發之間的相互作用主宰了渦旋的運動，從而在微觀量子世界與宏觀奇特流體行為之間架起了一座橋梁。