發(fā)表在《自然·通訊》上的論文 《強相互作用費米超流體中的互摩擦與渦旋霍爾角》，是量子流體動力學(xué)領(lǐng)域的一個重要里程碑。該研究首次定量地刻畫了在幺正費米氣體（Unitary Fermi Gas, UFG）中作用于量子渦旋的耗散力——這種氣體代表了目前已知相互作用最強的費米子物質(zhì)形式。

該研究回答了一個多體物理中的基本問題：在一個粒子間耦合達到極限的系統(tǒng)中，像“渦旋”這樣的拓撲缺陷是如何與周圍環(huán)境交換能量和動量的？

1. 微觀核心問題：什么是互摩擦？

在絕對零度的“純”超流體中，量子渦旋的運動理論上是無損的。然而，在任何有限溫度（T > 0）下，系統(tǒng)中總會存在一部分“正?！绷黧w組分（由熱激發(fā)的準粒子組成）。當渦旋運動時，它會與這些準粒子發(fā)生散射，導(dǎo)致超流組分與正常組分之間的耦合。這種相互作用由兩個互摩擦系數(shù)來描述：

• 縱向系數(shù) (α)：描述“耗散”部分。它類似于傳統(tǒng)的阻力，會消耗渦旋的能量，使其軌跡向陷阱中心螺旋塌縮或衰減。
• 橫向系數(shù) (α')：描述“反應(yīng)”部分。它產(chǎn)生一個垂直于渦旋運動方向的力，導(dǎo)致渦旋偏離預(yù)期的流體動力學(xué)路徑。

在弱相互作用系統(tǒng)（如 BEC 極限）中，這些系數(shù)已被較好地理解。但在幺正極限下（散射長度趨于無窮大，系統(tǒng)處于 BEC 與 BCS 超流的過渡區(qū)），這些系數(shù)的具體數(shù)值和行為此前一直是物理學(xué)界的未解之謎。

2. 實驗創(chuàng)新：軌道運動的渦旋

為了測量這些難以捕捉的系數(shù)，意大利 LENS 實驗室的研究團隊設(shè)計了一個精巧的實驗。他們利用磁場控制 Feshbach 共振，制備了?Li原子的二維強相互作用費米氣體。

研究者并沒有觀察復(fù)雜的湍流團塊，而是構(gòu)建了一個極簡的渦旋構(gòu)型：一個自由渦旋繞著一個被“釘扎”的反渦旋（即渦旋偶極子）做軌道運動。

1. 制備：利用數(shù)字微鏡器件（DMD）調(diào)制光場電勢，將一個反渦旋鎖定在中心，同時讓另一個渦旋在其周圍旋轉(zhuǎn)。
2. 觀測：通過追蹤自由渦旋隨時間演化的螺旋軌跡，研究者可以將運動分解為徑向和角向分量。
3. 提取：徑向漂移（向內(nèi)或向外螺旋）直接給出了縱向系數(shù)α，而軌道速度的偏差則提供了橫向系數(shù)α'。

3. 渦旋霍爾角與核心態(tài)

該論文最引人注目的結(jié)果之一是確定了渦旋霍爾角（Vortex Hall Angle, ΘH）。在電子系統(tǒng)中，霍爾角反映了縱向電阻與橫向電阻的比值；而在超流體中，它刻畫了渦旋相對于背景流動的運動方向。

研究發(fā)現(xiàn)，ΘH與渦旋核心內(nèi)束縛的準粒子的弛豫時間 (τ) 密切相關(guān)。在費米超流體中，渦旋核心并不是完全真空的，而是充滿了被稱為 CdGM 束縛態(tài)（Caroli–de Gennes–Matricon states）的局域化狀態(tài)。

實驗數(shù)據(jù)表明：

• 隨著溫度接近臨界溫度 Tc，互摩擦系數(shù)顯著增大。
• 即便是在這種強相互作用極限下，其動力學(xué)行為竟然可以用最初為超流氦-3（3He）開發(fā)的解析模型進行極佳的描述。這揭示了費米超流體的一種深層普適性。

4. 科學(xué)意義：從實驗室到中子星

這項工作的意義遠超超冷原子實驗室：

• 量子湍流：通過測量α和α'，團隊計算了渦旋雷諾數(shù) (Reα)。這個數(shù)值決定了流體是平滑流動的（層流）還是會破碎成混沌的量子湍流。
• 天體物理：觀測到的中子星“突變”（被認為是由中子星超流殼層中渦旋的突然脫釘和運動引起的。這篇論文測得的摩擦系數(shù)為理解這種極端致密物質(zhì)中的渦旋動力學(xué)提供了實驗室參考。
• 基礎(chǔ)物理驗證：實驗數(shù)據(jù)與超流3He理論的高度吻合，證實了 CdGM 束縛態(tài) 是費米超流體中耗散產(chǎn)生的主要“引擎”，驗證了數(shù)十年前關(guān)于微觀態(tài)如何驅(qū)動宏觀輸運的理論預(yù)言。

總結(jié)

Grani 等人的論文將“渦旋摩擦”從一個理論抽象概念變成了可測量的物理現(xiàn)實。它證明了核心束縛態(tài)與熱激發(fā)之間的相互作用主宰了渦旋的運動，從而在微觀量子世界與宏觀奇特流體行為之間架起了一座橋梁。