深入研究超流体氦-3宇宙- 大数跨境

中科富海

2022-07-05

当液态氦-3被冷却到毫开尔文的温度时，它会转变成一种被称为超流体的物质状态。从外部看，超流体氦-3是一种简单透明的介质。然而，它的内部结构极其丰富，经常被描述为“液滴宇宙”[1]。在超流体氦-3中，一些原子共同扮演量子真空的角色，具有尽可能低的能量的宏观量子态；而其他原子则表现得像物质一样，通过类似于电磁和引力的作用力相互作用。

到目前为止，研究人员已经学会了如何通过探测氦-3原子核周围的弱磁场来“闻”这种内部结构，通过推动外部物体穿过流体并测量反作用力来“触摸”它，以及通过在流体中放置扬声器和麦克风来“听”它。现在，英国兰开斯特大学的西奥·诺布尔(Theo Noble)和他的同事们带来了一种第四感，他们的相机可以“看到”氦-3宇宙[2]的内在细节。这种能力可以让研究人员更好地理解量子流体中的湍流，并探测到预计隐藏在这个超流体世界中的拓扑结构。

在超流体氦-3中，被称为库珀对的原子形成真空，表现出不寻常的动力学特性，比如无摩擦流动。相比之下，未配对的原子形成了一种由所谓的费米子准粒子组成的物质。这些准粒子的能量不能在一个特定的范围内，在一个不均匀的系统中，它可能因地而异。因此，一个传播的准粒子可能无法进入这样一个系统的某些区域，而是会通过一个称为Andreev反射[3]的过程被反射。在这个过程中，进入的准粒子捕获一个伙伴，形成一个库珀对，成为真空的一部分，这个伙伴留下一个被称为空穴的激励，它向与进入的准粒子相反的方向传播。引起这种反射的不均匀性是可以制造出来的，比如超导约瑟夫森结——用于量子计算机的量子比特的器件。但它也可能是内在的，就像诺布尔和他的同事所利用的那样。

快速流过障碍物的超流体不能满足理想流体的运动约束，并且会局部变形。量子力学和拓扑学将这种变形限制在一种称为量子化涡旋的线性结构中，它以小于100纳米厚度的弦的形式存在于超流体氦-3中。涡旋周围的超流体携带一个循环量子。这种流动改变了准粒子的禁能范围，其数量取决于到漩涡的距离。这种内在的不均匀性导致了靠近漩涡的准粒子的Andreev反射。

在许多涡的动态演化排列中，超流体可以模拟各种复杂的大尺度流动模式，而不局限于理想流体的无摩擦运动。一个被称为量子湍流的活跃研究领域探索了微观尺度上简单相同的涡的相互作用如何导致大尺度[4]的复杂动力学。诺布尔和他的同事们专注于这一领域，首次展示了他们的相机的功能。

他们的仪器有三个部分，都完全浸在超流体氦-3的水浴中。第一部分是准粒子源：一个封闭的盒子，里面有一个移动的机械装置将库珀对分解成准粒子，准粒子通过针孔泄漏。在盒子外，温度远低于氦-3的超流体转变温度，而且很少有库珀对被热波动打破，所以准粒子像光线一样笔直地从洞中飞出。第二部分是涡流源：一个摆动的半圆形线圈，当线圈表面的流速达到临界值时，就会产生涡流。最后，第三部分是相机：一个五乘五的石英音叉阵列。每个分叉振荡的阻尼与附近准粒子的数量成正比，并转化为相机拍摄的图像上对应像素的亮度。

在启动涡旋发生器之前，诺布尔和他的同事们展示了准粒子产生的图像是由光建立的照明定律精确描述的。在打开发电机后，他们发现由于Andreev反射的散射，漩涡阻碍了一些准粒子到达相机(下图)，在相机拍摄的图像中产生了漩涡缠结的阴影。出乎意料的是，作者发现线圈的外缘比内缘产生了更多的涡流，尽管两个边缘的流速应该几乎相同。这一效应仍未得到解释，但它说明了相机如何为超流体氦-3宇宙提供了新的见解。

流动的可视化已经被证明是理解经典湍流的必要条件，目前正在努力在量子湍流的实验中实现高水平的细节。通常的可视化方法是跟踪添加到流体中的小示踪剂颗粒的运动，但合适的示踪剂很难找到，也很难在接近零度的温度下成像。诺布尔和他的同事们的技术没有使用示踪剂，而且由于Andreev反射几乎不会对被成像物体施加任何力，因此具有显著的非侵入性。由于纳米制造技术的发展，未来的相机可能包含更大的像素阵列，而且可能运行得更快，这将使静态图像向视频记录转变成为可能。

例如，这些相机可以观察到在粗糙边界附近的超流体氦-3中的涡旋动力学。这样的观测可能有助于澄清中子星旋转时的突然加速与量子化漩涡(穿透恒星内部的超流体)与恒星外壳[5]之间的联系。氦-3真空具有非平凡的拓扑结构，这意味着它的边界上有零能量准粒子，如马约拉纳模[1,6]，摄像机可以用于研究这些表面态与块状准粒子或运动涡旋的相互作用。这些相机还可能拍摄出形状像线、片或球的拓扑物体，这些物体被认为是在氦-3真空的超流体相变中形成的，类似于早期宇宙中发生的相变。最后，在不使用准粒子源的情况下，这些相机可以通过入射的宇宙射线，甚至是暗物质粒子[7]来寻找库珀对的分裂。

参考文献

[1]G. E. Volovik, The Universe in a Helium Droplet (Oxford University Press, Oxford, 2009)[Amazon][WorldCat].

[2]M. T. Noble et al., “Producing and imaging quantum turbulence via pair-breaking in superfluid 3He−B,” Phys. Rev. B 105, 174515 (2022).

[3]A. F. Andreev, “The thermal conductivity of the intermediate state in superconductors,” Sov. Phys. JETP 19, 1228 (1964).

[4]L. Skrbek et al., “Phenomenology of quantum turbulence in superfluid helium,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118, e2018406118 (2021).

[5]N. Andersson, “A superfluid perspective on neutron star dynamics,” Universe 7, 17 (2021).

[6]T. Mizushima et al., “Symmetry-Protected Topological Superfluids and Superconductors —From the Basics to 3He—,” J. Phys. Soc. Jpn. 85, 022001 (2016).

[7]UK Research and Innovation, STFC grant proposal, Quantum enhanced superfluid technologies for dark matter and cosmology.

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