Observation of Scaling of Higher-Order Flow in a Unitary Fermi Gas
这项研究表明，一元费米气体在向粘性声学标度机制转变之前，在高阶流谐波中表现出普适的早期演化，从而在超冷量子气体与强相互作用核物质的集体动力学之间建立了直接联系。
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在物理学的广袤版图中，存在着一类特殊的材料，其中的粒子并非孤立行动，而是作为一个统一的、协调的整体进行运动。这种被称为“集体流”（collective flow）的现象，是指一群原子或亚原子粒子在响应压力和形状变化时，表现得更像一种流体，而非一堆独立的台球。科学家们长期以来一直在两个截然不同的极端环境下研究这种行为：一是重原子核以接近光速碰撞时产生的超高温、高密度物质；二是实验室中被捕获的极低温原子云。在这两种情况下，材料如何扩张和流动，都揭示了关于物质在粒子间相互作用达到最强极限时如何表现的深刻奥秘。一个关键问题一直悬而未决：这种协调运动是如何在不同复杂程度的层面上发展的？以及材料内部的摩擦（即粘度）最终是如何减缓或扭曲这些流动的？
来自华东师范大学及其合作机构的一个研究团队，通过创造一种高度受控的极端物质版本，回答了这些问题。他们使用了一团锂-6原子，将其冷却到仅比绝对零度高出极微小部分的温度。在这种极低温下，原子进入了一种被称为“酉区”（unitary regime）的状态，在此状态下，原子之间的相互作用达到了量子力学定律所允许的最强极限。研究人员利用一种包含数字微镜器件（DMD）的巧妙装置来塑造束缚这些原子的光。研究人员并没有使用通常平滑、圆形的陷阱，而是通过编程控制光，创造出一个近乎均匀的原子云，并在其边缘设计了特定的、经过工程化处理的凸起和凹陷。这些形变从简单的椭圆形到具有多达七个不同瓣片的形状不等，实际上为实验创造了一系列复杂度递增的初始起点。
一旦将原子云制备成这些精确的形状后，研究人员突然关闭了束缚它的光。这种突然的释放使得气体能够在真空中自由膨胀。随着原子云的扩大，研究人员从不同角度对其进行拍摄，以追踪初始的凸起和凹陷如何演变为运动模式。他们测量了高达第七阶复杂度的原子流，观察初始形变如何转化为气体的最终运动。他们发现了一个由秩序转向崩溃的显著模式。在释放后的最初时刻，气体表现出惊人的统一性。无论初始云团是呈简单的椭圆形还是复杂的七角星形，也无论云团的大小如何，当根据特定的时间尺度进行衡量时，其流动演化的方式完全一致。这种早期行为符合理想流体力学的预测，即气体在运动过程中不产生任何内摩擦。
然而，随着时间的推推移，这种完美的统一性开始消退。不同的流动模式开始出现分歧，且具有较多瓣片的高阶复杂形状比简单形状更快地失去强度。研究人员发现，这些复杂流动的衰减遵循一个特定的规律：即流动的衰减（attenuation）或减弱，随瓣片数量的平方而增加。简单来说，具有四个瓣片的流动模式被抑制的速度远快于具有两个瓣片的模式，而具有七个瓣片的模式受到的抑制则更为剧烈。这种二次方关系是粘性阻尼（viscous damping）的特征，即流体的内部摩擦就像是作用在气体内部较小、较快移动的涟漪上的刹车。通过在不同温度下测量这一效应，团队证实了气体的摩擦力是导致这种崩溃的主要原因。
这项研究为理解通用流体运动定律如何向充满摩擦与热量的复杂现实过渡，提供了一个清晰的窗口。研究人员观察到，从初始的完美膨胀到后期由摩擦主导阶段的过渡是以一种可预测的方式发生的。他们发现，这种摩擦的强度取决于气体的温度，且随着气体变热，阻尼现象变得更加显著。这项工作将可以被极精密操控的超冷原子气体的行为，与高能重离子碰撞的混沌过程联系了起来。它表明，关于流体如何膨胀以及粘度如何平滑不规则性的基本原理，在自然界截然不同的尺度上是通用的。通过精确绘制这些高阶流是如何产生并消退的，研究人员为理解强相互作用物质的输运性质开辟了一条新路径，架起了量子原子世界与碰撞恒星的核物理世界之间的桥梁。
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