强相互作用费米超流体中相互摩擦与涡旋霍尔角的精密测量

《Nature Communications》：Mutual friction and vortex Hall angle in a strongly interacting Fermi superfluid

本刊推荐：为揭示有限温度下量子涡旋的耗散机制，研究人员在幺正费米超流体中构建涡旋偶极子系统，通过追踪单个涡旋的二维运动，首次精确测量了纵向和横向相互摩擦系数α与α′。研究发现二者随温度升高而增大，并由此计算出涡旋霍尔角ΘH和涡旋雷诺数Reα，证实了安德烈夫束缚态在耗散过程中的核心作用。该工作为强关联费米体系中的涡旋动力学提供了微观机制解释，并为量子湍流研究开辟了新途径。

　　

在量子流体的奇妙世界里，涡旋如同微观的龙卷风，以其独特的运动方式主导着超流体的动力学行为。从超流氦中的量子湍流，到中子星自转突变（glitch）现象，再到超导体中的磁通钉扎，这些看似迥异的物理现象背后，都离不开量子涡旋的身影。然而，在有限温度下，涡旋如何与周围环境相互作用——这一被称为“相互摩擦”的过程——始终是困扰物理学家的难题，特别是在强相互作用的费米超流体中，其微观机制更是迷雾重重。

幺正费米气体（Unitary Fermi Gas）作为一种理想的强关联模型系统，其超流能隙Δ高达0.47E_F，导致涡旋核心内的卡洛里-德热纳-马特里孔（Caroli-de Gennes-Matricon, CdGM）束缚态能级稀疏且离散。这与超流³He或传统超导体中密集的CdGM能谱形成鲜明对比。在这种“超净核心”极限下，局域于涡旋核心的准粒子与体相热激发的散射过程如何影响涡旋运动，成为理解强关联费米超流体动力学的关键。

为了解决这一难题，由N. Grani和D. Hernández-Rajkov等人组成的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新成果。他们设计了一种极简的涡旋偶极子实验：将一个反涡旋钉扎在陷阱中心，让另一个涡旋围绕其作轨道运动。通过精密追踪自由涡旋的螺旋轨迹，研究人员首次在幺正费米超流体中直接提取了相互摩擦的纵向（耗散）系数α和横向（反应）系数α′。

L与超流速度v_s的夹角偏离π/2。（d）涡旋初始位置的概率分布。'>

研究团队通过激光偶极阱与数字微镜器件（DMD）制备了盘状均匀幺正费米超流体，采用“筷子法”精准操控光学势垒生成涡旋-反涡旋对，并释放其中一个涡旋使其绕钉扎涡旋运动。利用时间飞行吸收成像技术追踪涡旋轨迹，结合耗散点涡模型（Dissipative Point Vortex Model, DPVM）拟合，提取α和α′的温度依赖关系。同时，采用微观层面的超流局域密度近似（Superfluid Local Density Approximation, SLDA）进行数值模拟，并与基于³He理论发展的Kopnin解析模型对比。

温度依赖的相互摩擦

实验发现，在0.3-0.6 T_c温度区间内，α和α′均随温度升高而增大。较高温度下，涡旋轨迹呈现出更显著的径向衰减和角向滞后。SLDA模拟结果与实验测量的α高度吻合，并重现了α′的定性趋势。值得注意的是，幺正费米超流体中的α值显著高于弱相互作用玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的报道值，这源于费米体系中声速较高导致的玻戈留波夫-安德森声子激发抑制。

c^Trap=0.37；红色：T/T_c^Trap=0.49）。（b）径向与角向坐标的时间演化。（c-d）实验（蓝色菱形）与SLDA模拟（红色圆圈）得到的α和α′，蓝色曲线为Kopnin模型预测。'>

微观机制与解析模型

Kopnin模型将相互摩擦归因于CdGM束缚态准粒子与体相激发的散射。该模型仅通过单个拟合参数A≈0.4，就定量重现了α和α′的实验数据，表明即使在稀疏CdGM能谱下，涡旋束缚态仍在耗散过程中起主导作用。根据模型，α反比于局域准粒子的散射时间τ，而α′仅依赖于超流分数ρ_s/ρ和能隙Δ。

涡旋霍尔角与雷诺数

从相互摩擦系数导出的涡旋霍尔角Θ_H = tan^-1[(1-α′)/α]描述了涡旋速度方向相对于超流背景的偏转。实验测得Θ_H随温度升高而减小，对应局域准粒子散射时间τ的延长。涡旋雷诺数Re_α = (1-α′)/α则表征了量子湍流发生的临界条件：当Re_α ? 1时，开尔文波可沿涡线传播并引发湍流；当Re_α ? 1时，涡旋运动呈层流特性。本工作在T < 0.6 T_c范围内测得Re_α ≈ 10-40，预示幺正费米超流体在多涡旋系统中具备产生量子湍流的潜力。

H随温度变化，插图为由tanΘ_H = ω₀τ计算的局域准粒子弛豫时间。（b）Re_α的温度依赖关系，灰色区域标示Re_α≈1的层流-湍流过渡区。'>

本研究通过精妙设计的涡旋偶极子实验，结合SLDA模拟与解析理论，首次在强相互作用费米超流体中实现了相互摩擦系数的精密测量。结果表明，即使是在CdGM能级极度稀疏的幺正极限下，涡旋核心的安德烈夫束缚态仍是主导耗散的关键因素。所获涡旋霍尔角与雷诺数为理解超导体的涡旋霍尔效应和中性超流体的量子湍流提供了重要参量。这项研究不仅深化了对强关联费米体系涡旋动力学的认识，更为未来在BEC-BCS交叉区、自旋极化系统乃至中子星glitch模拟等方向的研究奠定了坚实基础。