量子涡环的运动和衰变：超流氦中量子耗散

今天分享一篇最近发表在《自然通讯》上的论文，它的题目是“利用超流氦中量子化涡环的成像来评估量子耗散”。这篇论文的作者们使用了一种非常巧妙的方法，来观察和测量超流氦中涡环的运动和衰变，从而揭示了量子涡旋和热准粒子之间的相互作用机制。这个问题对于理解各种量子流体系统中的现象，如超流氦的湍流、超导体的耗散、中子星的闪烁等，都有重要的意义。

首先，让我们回顾一下什么是超流氦和量子化涡环。超流氦是一种在低温下出现的奇特的物质状态，它具有零粘度和无穷大的导热性。这意味着它可以无阻力地流动，并且可以快速地传递热量。超流氦可以被看作是由两种互相混合的流体组成：一种是无粘性的超流体，由玻色子（如氦-4原子）形成；另一种是有粘性的正常流体，由热准粒子（如声子、激发态原子等）形成。

在超流体中，如果我们想要产生一个旋转或者涡旋的运动，我们不能随意地调节其角速度，而只能取一些离散的值。这是因为超流体具有量子化的性质，它遵循玻色-爱因斯坦统计。每个涡旋都携带一个固定的循环流量κ=h/m，其中h是普朗克常数，m是玻色子的质量。这样的涡旋被称为量子化涡旋或者量子化涡线，在三维空间中，它们呈现为密度较低的细管状结构。如果我们把一个量子化涡线弯成一个圆环状，就得到了一个量子化涡环。

要观察和测量超流氦中的量子化涡环并不容易，因为它们通常是不可见且非常微小（直径在微米到毫米级别）的。论文作者们使用了一种巧妙的方法，就是利用固态氘（D2）作为示踪剂来装饰涡环。固态氘是一种在低温下形成的晶体颗粒，它们可以被吸附到涡环上，并随着涡环的运动而移动。通过使用一种特殊的光学显微镜，作者们可以在超流氦中捕捉到涡环的图像，并且可以测量它们的位置、速度和大小等参数。

量子化涡环在超流氦中的运动和衰变受到多种因素的影响，其中最重要的是以下三个：

马格努斯力：这是一个由于涡环和超流体之间的相对运动而产生的力，它垂直于涡环的切线方向和相对速度方向，其大小正比于涡环的长度、循环流量和密度。马格努斯力会使涡环偏离其原来的轨道，并且会使涡环加速或减速，取决于马格努斯力和涡环速度之间的夹角。