热成像揭示强相互作用费米气体的超流相变
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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? |
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