超冷量子费米气体研究与应用简介

doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2019.01.002

超冷量子费米气体研究与应用简介

邓书金，武海斌†

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062

摘要 强相互作用的超冷费米气体是研究复杂多体强关联物理的理想系统，可以用来研究高温超导超流、夸克-胶子等离子体、中子星以及宇宙的早期演化等多体强关联物理。通过精确控制原子间的相互作用以及外加的俘获势，可以探索超冷量子物质的奇异物相，研究强耦合系统中的量子非平衡热力学、超冷碰撞和多体物理。文章介绍了华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室超冷量子气体研究组近期在标度不变的费米气体中的一些研究进展，如 Efimovian 膨胀动力学等新奇动力学和多体量子热机等。

关键词 量子简并费米气体；Efimovian膨胀动力学；多体量子热机；标度不变性

1 超冷的原子气体

从古至今，人类一直在探索着对物质的认识，经历了逐渐深化和不断完善的历史进程。中国古代的阴阳五行之说，认为山川河流、草木虫鱼皆由金、木、水、火、土这5种元素形成。古代希腊也有相似的观点，认为水、气、火、土和以太是构成宇宙万物的基本前提。时至今日，我们已经对构成自然界的基本粒子有了深入的认知，自然界中存在着质子、中子、电子，乃至更为基本的夸克、中微子等基本粒子，并且这一认知还在不断的进步中。

目前，构成自然界的基本粒子可以按照自旋(即自旋角动量，是粒子的内禀属性)分为两类：自旋量子数为整数的为玻色子，比如光子、传递相互作用的胶子、介子等；自旋量子数为半整数的为费米子，比如质子、中子、电子等。经典情形下，由玻色子和费米子组成的系统都符合玻尔兹曼分布，为经典气体，但随着温度的降低，物质的量子特性逐渐显现出来。现在的技术已经可以把原子气体的温度冷却到10-9 K甚至10-10 K，在这种情形下，量子统计规律将占主导作用，费米子系统和玻色子系统会表现出截然不同的行为。由于玻色子之间无相互作用，玻色子系统服从玻色-爱因斯坦分布规律，宏观数量的玻色粒子可以占据同一个量子态。在极低温的情形下，所有的粒子将凝聚于最低能量的单粒子量子态，发生相变而形成玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation，BEC)[1]，被称为除固态、液态、气态和等离子体以外的物质“第五态”(图1)。同样无相互作用的费米子却因为受到泡利不相容原理的限制，每个量子态上只能占据一个粒子，所以费米子会逐级向高能态填充，最终达到量子简并形成费米海(图1)。费米粒子的这一特性在自然界非常重要，正是由于这种量子费米压力，白矮星才不能无限坍缩下去。

实际上真正无相互作用的系统十分少见，自然界中的系统基本都存在相互作用，粒子之间也都是相互关联的。非常著名的一个例子：当

†通信作者，研究方向：超冷量子气体、腔量子电动力学、腔光力学等实验研究。E-mail: hbwu@

⧫㢢 ⡡

㚊

⧫㢢 䍩㊣

䍩㊣⎧

E f

E E

图1 玻色原子与费米原子受不同量子统计规律限制：玻色

气体可以形成玻色-爱因斯坦凝聚(左图)；费米气体将形成费米海(右图)

费米面附近的一对动量(和自旋)大小相等、方向相反的费米子之间如果存在着相互作用，那么它们将有可能结合形成费米库伯对，从而形成费米超导或费米超流。这种情况在凝聚态物理中得到广泛的研究。在超冷费米原子气体中，原子的相互作用可以调控，当库伯对的两个粒子之间的相互作用逐渐增大时，库伯对的尺寸会逐渐减小以致形成由两个费米子组成的复合玻色子，进而发生分子的玻色-爱因斯坦凝聚。在费米原子间的相互作用从弱到强的变化过程中，系统的行为将

从费米原子超流逐渐向分子玻色-爱因斯坦凝聚平滑过渡，即为著名的BEC —BCS 渡越[2]。在超低温下，无论费米原子还是玻色原子的热运动都会变得十分缓慢，极大地增加相干相互作用时间。这在许多高新技术应用领域具有广阔的应用前景。由冷原子形成、超高灵敏度的原子干涉仪及陀螺仪，其精度可比相同条件下的光学干涉仪的精度提高多个量级，是当前国家的重大需求。另外一个重要的应用是，利用单成分无相互作用的费米冷原子所实现的原子光钟。这种原子光钟是目前最精确的时间标准之一，对精确定位及国防安全具有重要的意义。图2所示为美国天体物理联合实验室(JILA)叶军研究小组的锶原子光钟。JILA 采用三维光晶格中囚禁的量子简并费米气体来开展的锶原子光晶格光钟实验，进一步减小了原子碰撞频移，解决了锶光钟稳定度和准确度之间互相矛盾的问题。最终在1 h 的平均时间内，研究小组将锶光钟的时间不确定度推进到了5×10-19，超越了铯原子喷泉钟、离子阱囚禁光钟，准确度达到2亿年的时间内误差都不会超过1 s [3]。

图2 (a)锶光晶格光钟简图；(b) 3D 光晶格不同区域的同步比较

z ?y ??x

?B

Narrow line clock

Lattice z

?Lattice y ?Lattice x

Oblique clock

10 16

10 17

10 18

10 19A l l a n d e v i a t i o n

0.5P 1

Averaging time/s

(a)

(b)

当不同种类的原子气体被冷却到超低温的时候，不同种类的原子之间也可以结合形成异核分子[4]。这种人工合成的全新的分子有着非常迷人的性质，其独特而复杂的分子能量结构为基础物理的灵敏探测提供了新的机遇。各向异性和远程偶极相互作用为多体系统中强关联和集体量子动力学增添了新的成分。将极性分子引入量子体系，通过分子及其长程各向异性偶极相互作用的量子统计来控制化学反应，研究关于分子超冷气体中强相互作用和集体量子效应。这吸引了许多来自原子、光学、凝聚态物理、物理化学、量子科学等各个科学领域的研究人员的热切关注。

超冷费米气体可控自由度非常之高，研究内容异常丰富。操控超冷费米气体的动能，可以