“第二声”的首次直接成像！|原子云|物理学家|第二声|粒子|费米子|超流体

在物理学中，热输运（heat transport）可以作为识别不同物态的特征。在大多数“普通”材料中，热会向四周扩散：在不受到干扰的情况下，一个热点会在加热周围环境的过程中逐渐消散。

但理论物理学家预测，在超流体这种罕见物态下，热也应该像波一样传播。这种现象被称为“第二声”。然而，想要直接观测热的这种波样传播是非常棘手的。目前，科学家只在少数材料中间接观测到了第二声的迹象。

现在，在一项于近期发表在《科学》杂志的研究中，麻省理工学院的一个物理学家团队报告了对第二声的图像的首次直接观测。

双流体模型

超流体是一种特殊的物态，它指的是当原子云被冷却到极低的温度时，原子能够以在没有任何摩擦的情况下流动的奇异特性。

一直以来，这项新研究的作者都热衷于探索超冷原子中出现的奇异现象，费米子（比如电子），即通常会相互回避的粒子，是他们尤为关注的对象。在某些特定条件下，费米子可以产生强烈的相互作用和配对。在这种耦合状态下，费米子能够以非常规的方式流动。

1938年，物理学家László Tisza为超流动性提出了双流体模型，表示超流体实际上是由正常的黏性流体和无摩擦超流体构成的混合物。这种双流体模型预测超流体应该允许两种类型的声音存在，即寻常的密度波和特异的温度波。1941，物理学家列夫·朗道（Lev Landau）将种温度波命名为“第二声”。

由于一种流体可以在某个临界的超冷温度下转变为超流体，因此研究团队推断，这两种类型的流体应该也会以不同的方式传递热：在正常流体中，热应该像平常一样消散；而在超流体中，它可以像波一样移动。

第一声（1st Sound）是以密度波形式存在的寻常声音，其中的正常流体（Normal Fluid）和超流体（Superfluid）一起振荡；第二声（2nd sound）是热在超流体中以波的形式传播，超流体和正常流体相互“晃动”，同时保持密度不变。（图/Yan et al. via MIT News）

第二声的第一次成像

第二声是超流体的标志，但到目前为止，物理学家只能在超冷气体中，通过伴随它的密度涟漪的微弱反射对其进行测量，而无法直接观测到第二声的特征。

在新的实验中，研究人员将由费米子锂-6原子构成的强相互作用量子气体，冷却到纳开尔文（nK）级别的温度。在传统材料中，人们会使用红外传感器对热源成像。但在超冷温度下，气体不会发出红外辐射。

为了观测第二声，研究人员开发了一种新的热成像方法，他们使用射频来观测热如何在超流体中移动的，并发现在不同的射频上，锂-6费米子的共振取决于它们的温度：当原子云处于更高的温度，并且携带更多的正常流体时，它的共振频率越高；而原子云中温度较低的区域，则有着更低的共振频率。

研究人员先是使用更高的共振射频，促使流体中任何正常的“热”费米子发出响应。然后，他们将注意力集中在共振费米子上，并追踪它们随时间的变化，从而创造出了能揭示热的纯粹运动的动态图像。

这些新的图像揭示了热是如何像波一样移动并来回“晃动”的。这意味着，他们捕捉到了热的纯粹的、与材料的粒子无关的运动。