原子云的飞行时间图像6Li，其中暗密度耗尽是量子漩涡。图片来源：SNU 的 Kyuhwan Lee
Kibble-Zurek （KZ） 机制是由物理学家 Tom Kibble 和 Wojciech Zurek 引入的理论框架。该框架基本上描述了系统经历非平衡相变时拓扑缺陷的形成。
首尔国立大学和韩国基础科学研究所的研究人员最近观察到，当费米气体转变为超流体时，均匀且强相互作用的费米气体中会出现 KZ 结垢。
他们的论文发表在《自然物理学》（Nature Physics）上，可能为进一步探索这一长期存在的物理学框架的实验工作铺平道路。
“近一个世纪以来，超流体和超导性一直让物理学家着迷，”该论文的合著者 Kyuhwan Lee 告诉 Phys.org。“它们是大规模量子力学的美丽表现。
“粗略地说，当我们有许多相互作用的粒子足够冷时，它们可以在没有任何阻力的情况下集体流动。随之而来的一个自然问题是，超流体是如何诞生的，以及在从正常相（它们像大多数普通液体一样以阻力流动）过渡到超流体相的过程中会发生什么？
在 1980 年代，Zurek 从 Kibble 最近的宇宙学框架中汲取灵感，着手通过实验来解决这个有趣的研究问题。Zurek 提出，探测物理系统相变为超流体的残余物将收集有关超流体如何起源的有趣见解。
“在我们的实验中，残余物是量子漩涡，一种具有量子化角动量的漩涡流，”Lee 说。“中心预测，现在也称为 KZ 缩放，是量子漩涡的数量应该根据你通过超流体相变的速度作为幂律进行缩放。
“你越快穿过相变，你最终得到的量子漩涡就越多，因为超流体需要调整系统参数的外部变化的时间就越短。”
虽然 KZ 缩放适用于广泛的系统，包括超流体、铁电体、超导体、离子阱和里德堡原子阵列，但到目前为止，它主要在其中一些系统中观察到。Lee 和他的同事们研究的主要目的是观察费米超流体中的 KZ 缩放，到目前为止，这被证明特别具有挑战性。
“这里真正的亮点是，我们使用温度和相互作用强度作为两个不同的控制旋钮来观察预测的 KZ 缩放行为，”Lee 说。
一个原子云6云的典型直径为 350 um。图片来源：SNU 的 Kyuhwan Lee
研究人员使用的样本是6Li，它们被冷却到极低的温度（即几十纳米开尔文）。他们的示例具有独特的配置，他们使用空间光调制器 （SLM） 创建该配置。它的构型由一个空间均匀的原子云组成，具有圆盘几何形状，直径约为 350 um。
“为了观察 KZ 缩放行为，我们需要一个空间均匀且面积较大的样品，”Lee 解释说。“它必须是均匀的，因为我们希望超流体相变在整个样品中同时发生。
“如果存在不规则性，则相变会在不同时间、不同位置发生，这使得观测结果难以与理论预测进行比较。我们还希望它很大，这样我们就可以观察到大量的量子漩涡并避免有限尺寸效应。
研究人员在设计实验时考虑的另一个重要因素是实验系统中相互作用的可调性。为了调整原子间相互作用，他们利用了6他们云中的锂原子。
“这为我们提供了另一种工具来研究超流体相变动力学，而不仅仅是使用温度作为控制旋钮，”Lee 说。“有了这些令人兴奋的工具，我们以不同的速度淬灭了超流体相变的温度或相互作用强度。”
无论他们是否改变了系统的温度或原子之间相互作用的强度，Lee 和他的同事在他们的样品中观察到了在很宽的动态范围内相同（即普遍）的 KZ 缩放行为。因此，他们的研究成功观察到了超流体中 KZ 结垢，这在以前仍然难以捉摸。
“在液体中4他是超流体系统的另一个代表性例子，相变动力学的典型时间尺度是传统的机械压力淬火根本无法达到的，“Lee 说。
“在液体中3他，有量子漩涡产生的特征，这是由快速核反应实现的。然而，许多未知因素使得与 KZ 标度的直接比较变得困难。
“在超冷原子气体中，验证量子涡旋的自发产生和揭示静态和动态缩放特性方面有重要的工作，但典型的样品配置使得难以捕捉 KZ 缩放行为。”
该研究团队最近的工作对超流体中 KZ 结垢的研究做出了重大贡献。它最显着的成就是观察到相同的缩放行为，无论团队是操纵样品中的温度还是相互作用。
“普遍性的概念，如今甚至在本科统计力学课程中教授，使我们能够以非常'经济'的方式理解令人难以置信的复杂系统，”Lee 说。“我们能够在如此复杂的相变动力学中分辨出一个共同特征，这真是令人震惊。”
在他们的下一步研究中，Lee 和他的同事计划进一步研究他们在实验中观察到的行为，这些行为可能无法简单地用 KZ 机制来解释。他们未来的努力可能会带来更多有价值的观测结果，进一步增强对费米超流体中非平衡相变动力学的理解。
“对于快速淬火，我们观察到温度淬火和相互作用淬火都与 KZ 标度行为存在偏差，”Lee 解释说。“解释这种情况的一种可能情况是所谓的早期粗化。
“简单地说，早期粗化表明初始（或早期）超流体生长动力学抑制了快速淬火的量子涡旋的形成。使用干涉测量法测量相位相干性，现在研究粗化动力学如何适应图片会很有趣。
更多信息：Kyuhwan Lee 等人，原子费米超流体中的通用 Kibble-Zurek 缩放，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02592-z
期刊信息： Nature Physics
