最新突破：科学家首次定量刻画强相互作用费米气体的互摩擦

发表在《自然·通讯》上的论文 《强相互作用费米超流体中的互摩擦与涡旋霍尔角》，是量子流体动力学领域的一个重要里程碑。该研究首次定量地刻画了在幺正费米气体（Unitary Fermi Gas, UFG）中作用于量子涡旋的耗散力——这种气体代表了目前已知相互作用最强的费米子物质形式。

该研究回答了一个多体物理中的基本问题：在一个粒子间耦合达到极限的系统中，像“涡旋”这样的拓扑缺陷是如何与周围环境交换能量和动量的？

1. 微观核心问题：什么是互摩擦？

在绝对零度的“纯”超流体中，量子涡旋的运动理论上是无损的。然而，在任何有限温度（T > 0）下，系统中总会存在一部分“正常”流体组分（由热激发的准粒子组成）。当涡旋运动时，它会与这些准粒子发生散射，导致超流组分与正常组分之间的耦合。这种相互作用由两个互摩擦系数来描述：

• 纵向系数 (α)：描述“耗散”部分。它类似于传统的阻力，会消耗涡旋的能量，使其轨迹向陷阱中心螺旋塌缩或衰减。
• 横向系数 (α')：描述“反应”部分。它产生一个垂直于涡旋运动方向的力，导致涡旋偏离预期的流体动力学路径。

在弱相互作用系统（如 BEC 极限）中，这些系数已被较好地理解。但在幺正极限下（散射长度趋于无穷大，系统处于 BEC 与 BCS 超流的过渡区），这些系数的具体数值和行为此前一直是物理学界的未解之谜。

2. 实验创新：轨道运动的涡旋

为了测量这些难以捕捉的系数，意大利 LENS 实验室的研究团队设计了一个精巧的实验。他们利用磁场控制 Feshbach 共振，制备了⁶Li原子的二维强相互作用费米气体。

研究者并没有观察复杂的湍流团块，而是构建了一个极简的涡旋构型：一个自由涡旋绕着一个被“钉扎”的反涡旋（即涡旋偶极子）做轨道运动。

1. 制备：利用数字微镜器件（DMD）调制光场电势，将一个反涡旋锁定在中心，同时让另一个涡旋在其周围旋转。
2. 观测：通过追踪自由涡旋随时间演化的螺旋轨迹，研究者可以将运动分解为径向和角向分量。
3. 提取：径向漂移（向内或向外螺旋）直接给出了纵向系数α，而轨道速度的偏差则提供了横向系数α'。

3. 涡旋霍尔角与核心态

该论文最引人注目的结果之一是确定了涡旋霍尔角（Vortex Hall Angle, ΘH）。在电子系统中，霍尔角反映了纵向电阻与横向电阻的比值；而在超流体中，它刻画了涡旋相对于背景流动的运动方向。

研究发现，ΘH与涡旋核心内束缚的准粒子的弛豫时间 (τ) 密切相关。在费米超流体中，涡旋核心并不是完全真空的，而是充满了被称为 CdGM 束缚态（Caroli–de Gennes–Matricon states）的局域化状态。

实验数据表明：

• 随着温度接近临界温度 Tc，互摩擦系数显著增大。
• 即便是在这种强相互作用极限下，其动力学行为竟然可以用最初为超流氦-3（³He）开发的解析模型进行极佳的描述。这揭示了费米超流体的一种深层普适性。

4. 科学意义：从实验室到中子星

这项工作的意义远超超冷原子实验室：

• 量子湍流：通过测量α和α'，团队计算了涡旋雷诺数 (Reα)。这个数值决定了流体是平滑流动的（层流）还是会破碎成混沌的量子湍流。
• 天体物理：观测到的中子星“突变”（被认为是由中子星超流壳层中涡旋的突然脱钉和运动引起的。这篇论文测得的摩擦系数为理解这种极端致密物质中的涡旋动力学提供了实验室参考。
• 基础物理验证：实验数据与超流³He理论的高度吻合，证实了 CdGM 束缚态 是费米超流体中耗散产生的主要“引擎”，验证了数十年前关于微观态如何驱动宏观输运的理论预言。

总结

Grani 等人的论文将“涡旋摩擦”从一个理论抽象概念变成了可测量的物理现实。它证明了核心束缚态与热激发之间的相互作用主宰了涡旋的运动，从而在微观量子世界与宏观奇特流体行为之间架起了一座桥梁。