宇宙，在其最基本的層面，經(jīng)常呈現(xiàn)出與我們經(jīng)典直覺相悖的現(xiàn)象。在這些表現(xiàn)中，有一種獨(dú)特的自束縛物質(zhì)狀態(tài)——量子液滴，它們無需外部束縛即可存在。雖然單個(gè)量子液滴的存在已得到證實(shí)，但 L. Cavicchioli 等人發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的突破性研究“玻色-玻色混合物中多量子液滴的動(dòng)態(tài)形成”則深入探討了一個(gè)更引人入勝的奇觀：這些量子液體如何動(dòng)態(tài)生成并隨后分裂成多個(gè)獨(dú)立的實(shí)體。 這項(xiàng)工作不僅闡明了量子流體復(fù)雜的非平衡動(dòng)力學(xué)，還與經(jīng)典流體的不穩(wěn)定性現(xiàn)象有著顯著的相似之處，將尺度從亞原子級(jí)別拓展到宏觀。

量子液滴之謎：自束縛的量子流體

要深入探討，我們首先需要理解量子液滴的核心。與主要通過強(qiáng)大的分子間作用力結(jié)合在一起的經(jīng)典液體不同，量子液滴極其稀薄。它們的穩(wěn)定性源于原子間吸引的平均場(chǎng)相互作用（傾向于將原子拉到一起）與排斥的李-黃-楊（Lee-Huang-Yang，LHY）量子漲落之間微妙的平衡。LHY修正是一種超越簡化平均場(chǎng)描述的效應(yīng)，它解釋了粒子相互作用的量子零點(diǎn)能，有效地提供了一種微小但至關(guān)重要的排斥壓力，阻止液滴坍縮成無限致密的狀態(tài)。如果沒有這種量子排斥力，吸引力將簡單地導(dǎo)致不穩(wěn)定的坍縮或無限延伸的非束縛氣體。因此，量子液滴以稀薄的自束縛量子流體形式存在，這有力地證明了量子多體效應(yīng)的強(qiáng)大。

玻色-玻色混合物：可調(diào)控的量子畫布

用于觀察這種復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是玻色-玻色混合物——具體來說，是由兩種不同的玻色原子（?1K 和 ??Rb）組成的超冷混合物。選擇混合物至關(guān)重要，因?yàn)樗试S對(duì)原子間相互作用進(jìn)行非凡的控制。通過使用費(fèi)什巴赫共振，實(shí)驗(yàn)者可以精確地調(diào)控鉀原子和銣原子之間的散射長度，有效地將原子間相互作用從排斥調(diào)整到吸引，尤其是調(diào)整到量子液滴變得穩(wěn)定的弱吸引區(qū)域。這種可調(diào)控的“量子畫布”為探測(cè)這些奇特狀態(tài)的非平衡動(dòng)力學(xué)提供了完美的環(huán)境。

多量子液滴的動(dòng)態(tài)起源：實(shí)驗(yàn)揭秘

這項(xiàng)研究的核心發(fā)現(xiàn)在于其“動(dòng)態(tài)形成”的方面。研究人員沒有緩慢地制備一個(gè)穩(wěn)定的量子液滴，而是通過一場(chǎng)劇烈的非平衡猝滅（quench）啟動(dòng)了這一過程。他們首先在光學(xué)波導(dǎo)中制備玻色-玻色混合物，將原子間相互作用最初設(shè)定為弱排斥或非相互作用。然后，他們突然快速地將原子間相互作用猝滅到強(qiáng)吸引區(qū)域，瞬間創(chuàng)造了一個(gè)不穩(wěn)定的高度壓縮狀態(tài)。這種突然的轉(zhuǎn)變充當(dāng)了強(qiáng)大的擾動(dòng)，引發(fā)了一系列事件。

這種猝滅的直接后果是形成了一個(gè)單個(gè)的、高度激發(fā)且明顯拉長的量子液滴。這個(gè)初始液滴遠(yuǎn)未處于其平衡態(tài)，就像一根被拉伸的橡皮筋。隨著這個(gè)拉長液滴隨時(shí)間演化，它開始沿軸向膨脹，在光學(xué)波導(dǎo)中進(jìn)一步拉伸。關(guān)鍵的觀察發(fā)生在當(dāng)這個(gè)單個(gè)的、拉長的液滴超過一個(gè)臨界長度時(shí)。此時(shí)，一種深刻的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性開始出現(xiàn)，導(dǎo)致這個(gè)單一的流體體像經(jīng)典流體一樣破裂。結(jié)果是形成了多個(gè)更小的量子液滴，它們相互分離并繼續(xù)彈道式膨脹。

研究人員仔細(xì)分析了影響這種碎裂的參數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，形成的液滴數(shù)量并非隨機(jī)，而是系統(tǒng)地取決于初始條件：原子間吸引力越弱，或初始原子數(shù)量越多，形成的單個(gè)量子液滴數(shù)量就越多。這種定量關(guān)聯(lián)為理解其潛在機(jī)制提供了至關(guān)重要的見解。

經(jīng)典回聲：量子領(lǐng)域的毛細(xì)不穩(wěn)定性

這項(xiàng)研究最引人注目的方面或許是它與經(jīng)典流體現(xiàn)象——毛細(xì)不穩(wěn)定性，也稱為瑞利-普拉托不穩(wěn)定性——之間驚人的類比。這種熟悉的現(xiàn)象解釋了為什么水龍頭流出的細(xì)水流最終會(huì)分裂成單個(gè)水滴，或者為什么一個(gè)拉長的液柱會(huì)自發(fā)地分裂成球形。流體的表面張力作用是為了最小化表面積，從而驅(qū)動(dòng)這種不穩(wěn)定性。在量子領(lǐng)域，拉長的量子液滴表現(xiàn)出與在有效“表面張力”作用下經(jīng)典流體柱驚人的相似性，而這里的“表面張力”則來源于平均場(chǎng)吸引和LHY量子漲落的相互作用。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，輔以理論建模，有力地證實(shí)了量子液滴的動(dòng)態(tài)破裂確實(shí)是這種普遍不穩(wěn)定性的表現(xiàn)，如今在稀薄的量子多體系統(tǒng)中也得到了觀察。

更廣泛的啟示與未來展望

這項(xiàng)工作的意義遠(yuǎn)不止于觀察一個(gè)迷人的量子現(xiàn)象。首先，它為在高度受控的環(huán)境中研究非平衡量子多體動(dòng)力學(xué)提供了前所未有的機(jī)會(huì)。理解復(fù)雜的量子系統(tǒng)如何從非平衡態(tài)演化和自組織，是現(xiàn)代物理學(xué)的前沿。其次，量子流體中毛細(xì)不穩(wěn)定性的展示凸顯了在截然不同的尺度和物理系統(tǒng)中都能出現(xiàn)的深刻普遍性。它強(qiáng)化了這樣一個(gè)觀念：某些基本原理，如能量最小化和不穩(wěn)定性機(jī)制，可以在各種物理背景下表現(xiàn)出來，從宏觀水滴到微觀量子液體。

此外，這項(xiàng)研究為探索新的量子現(xiàn)象開辟了新途徑。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建量子液滴陣列的能力，可能為研究液滴間相互作用鋪平道路，從而可能導(dǎo)致新型量子相，甚至將液滴作為可移動(dòng)的相互作用量子比特的量子信息處理平臺(tái)。人們可以想象在這些液滴中誘導(dǎo)超流電流，或者研究這種量子液體中渦旋的成核。