热成像揭示强相互作用费米气体的超流相变

在常见的三种状态——固体、液体和气体——之外，还有一些更奇妙的状态，比如超流。超流是一种没有粘滞阻力的流体，它可以沿着容器的壁面爬上去，甚至逆着重力流动。超流的存在是量子力学的一个重要结果，它表明了物质的微观波动性。

超流的一个典型例子是液氦，在接近绝对零度的低温下，液氦的原子会形成玻色-爱因斯坦凝聚，从而表现出超流性。但是，如果我们考虑的是费米子，比如电子或中子，它们是否也能形成超流呢？答案是肯定的，但是机制却不同。费米子由于泡利不相容原则，不能像玻色子那样聚集在同一个量子态，它们必须通过一种叫做库珀配对的过程，两个两个地结合成类似玻色子的复合粒子，才能实现超流。这种超流的例子包括超导体中的电子对和中子星中的中子对。

那么，如果我们有一种既不是玻色子也不是费米子的粒子，它们能不能形成超流呢？这听起来似乎是一个荒谬的问题，因为所有的粒子都要么是玻色子要么是费米子。但是，如果我们考虑的是一种叫做费米气体的系统，它由一些相互作用很强的费米子组成，那么情况就有点不同了。在这种情况下，费米子之间的相互作用会导致它们的性质发生变化，从而使得它们在某种意义上既像玻色子又像费米子。这种系统可以在实验室中用冷原子气体来实现，通过调节原子之间的散射长度，可以在玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和巴丁-库珀-施里弗（BCS）超流之间实现连续的过渡。这种过渡被称为BEC-BCS串联，它是强关联费米系统的一个重要范例，它与高温超导体、中子星和夸克-胶子等离子体等系统有着深刻的联系。

BEC-BCS串联的一个关键问题是，它的超流相变发生在什么温度？这个问题并不容易回答，因为强相互作用使得理论计算变得非常困难，而实验测量也面临着很多挑战。为了探测超流相变，我们需要一种能够直接测量系统的温度和热输运的方法。在常规的材料中，我们可以用热电偶或者热像仪来实现这一目的，但是在冷原子气体中，这些方法都不适用，因为原子之间没有电荷或者磁矩，也没有固定的形状或者边界。那么，我们该怎么办呢？

最近发表在《科学》上的一篇论文介绍了一种新的方法——热成像，来测量强相互作用费米气体的温度和热输运。这种方法的原理是，利用无线电频率（rf）光来激发原子的内部跃迁，从而改变原子的自旋态。这个过程会导致原子的能量发生变化，从而影响原子的运动状态。通过测量原子的运动分布，我们就可以反推出原子的能量分布，也就是温度分布。这就好像通过观察一个发光的金属的颜色，来判断它的温度一样。这种方法的优点是，它可以在空间上进行分辨，从而得到系统的局域温度，而不是整体的平均温度。而且，它对于不同的相互作用强度和不同的相态都是适用的，因为它只依赖于原子的内部结构，而不依赖于原子之间的相互作用。

利用这种方法，研究人员在一个二维的强相互作用费米气体中，观察到了超流相变的直接证据。研究人员首先在系统中制造了一个热点，然后观察它的演化。在超流相变的临界温度以下，他们发现热点的扩散速度突然变快，而且呈现出振荡的行为。这说明热点的扩散不再是由热扩散引起的，而是由超流的波动引起的，这种波动被称为第二声。第二声是一种由超流和正常流两种流体组成的复合波，它可以在超流中传播热量，而不损耗能量。通过分析第二声的速度和衰减，我们可以得到超流的密度和粘滞系数，从而验证了兰道的双流体理论。他们还发现，在超流相变的临界点附近，第二声的扩散系数出现了一个峰值，这表明了系统的临界行为。

他们的实验为强相互作用费米气体的热输运提供了一种新的探测手段，它可以揭示系统的热力学和流体力学的性质，从而为理解强关联费米系统的物理机制提供了重要的信息。