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【最新研究】諾獎級別的物理學突破!80年來首次證明「第二波」存在
2022/02/23
2022/02/23

2月4日,國際權威期刊《科學》雜誌發表了中國科大量子模擬研究方面的重大突破,潘建偉和姚星燦、陳宇翱團隊在基于超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺的實驗中首次測得了「第二聲」的衰減率(聲擴散係數),並在此基礎上準確測定了「第二聲」傳播的熱導率與粘滯係數。

可能很多朋友都搞不清這裡說的「第二聲」指的是什麼東西,其實它指的是熱能的波狀傳播,我們知道爆竹爆炸的時候會發出聲響,爆炸的聲音就是第一聲,所以第一聲指的是聲波的傳播,但是早就有科學家認為熱能也能以波的形式傳播,形式如同聲波的傳播一樣。

80多年前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·朗道就推理出了這種現象並建立了兩流體理論,據此成功解釋了氦-4液體(強相互作用玻色體系)出現的的超流現象,還預言了熵或溫度會以波的形式在超流中傳播的情形,其性質與特徵與聲波類似,因此朗道將其命名為「第二聲」,他的這一物理學成就也幫助他獲得了1962年的諾貝爾物理學獎。

列夫·達維多維奇·朗道

但是熱的波形傳播卻很不容易測量,一是不容易觀測,再就是需要在特定介質中才能被發現,因此一直以來,科學家都沒有發現真正「第二聲」的傳播。

​科學界一般認為「第二聲」不會出現在普通物質中,或者說傳播極其不明顯,但是在超流氦等超流液體中卻可以明顯反映出來。所謂超流體,就是粘滯性變成零的流體,這種流體無法盛在一個敞開的容器中,比如把它放在杯子或盆子中,它會自動「爬」出來,如果把它放在瓶子中旋轉起來形成一個漩渦,那麼這個漩渦幾乎會永遠旋轉下去。

自發性爬出杯子口沿的超流體

說白了,超流體就是一種巨觀量子現象,熱能在超流體中的傳播也有其特殊性,科學家認為其傳播遵循動力學標度理論,該理論對許多量子體系的相變都有重要指導意義,但在液氦中很難把這些普適函數測量準確,因其臨界區域很窄,而潘建偉、姚星燦、陳宇翱等與澳籍科學家胡輝合作,首次在強相互作用(么正)極限下的費米超流體中觀測到了熵波衰減的臨界發散行為,揭示了這一超流體熱傳播體系中存在著一個可觀的相變臨界區,這也是80年來首次證明了「第二波」存在,揭開了其超流傳播之謎。

​通過對研究結果的分析,研究者們還獲得了熱導率與粘滯係數等重要的輸運係數,這些數值的獲得意義重大,為今後超流體、熱能傳播、量子學等多個領域的研究提供了可參考的基礎資料,特別是為理解強相互作用費米體系的量子輸運現象提供了重要的實驗資訊,已有專家認為這堪稱物理諾獎級別的研究成果。

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