[论文解读] Sound emission and annihilations in a programmable quantum vortex collider

Woo Jin Kwon, Giulia Del Pace+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 102被引用 93

一句话总结

本研究利用可调谐原子费米超流体，在可编程的二维量子涡旋对撞机中实现了声发射与涡旋-反涡旋湮灭。通过精确制备并碰撞涡旋偶极子，作者直接观测到能量通过声辐射损失，并揭示费米子准粒子在涡旋核心中显著增强了耗散，尤其在BCS区域中，其耗散效应远超声子发射。

ABSTRACT

In quantum fluids, the quantization of circulation forbids the diffusion of a vortex swirling flow seen in classical viscous fluids. Yet, accelerating quantum vortices may lose their energy into acoustic radiations1,2, similar to the way electric charges decelerate on emitting photons. The dissipation of vortex energy underlies central problems in quantum hydrodynamics3, such as the decay of quantum turbulence, highly relevant to systems as varied as neutron stars, superfluid helium and atomic condensates4,5. A deep understanding of the elementary mechanisms behind irreversible vortex dynamics has been a goal for decades3,6, but it is complicated by the shortage of conclusive experimental signatures7. Here we address this challenge by realizing a programmable vortex collider in a planar, homogeneous atomic Fermi superfluid with tunable inter-particle interactions. We create on-demand vortex configurations and monitor their evolution, taking advantage of the accessible time and length scales of ultracold Fermi gases8,9. Engineering collisions within and between vortex–antivortex pairs allows us to decouple relaxation of the vortex energy due to sound emission and that due to interactions with normal fluid (that is, mutual friction). We directly visualize how the annihilation of vortex dipoles radiates a sound pulse. Further, our few-vortex experiments extending across different superfluid regimes reveal non-universal dissipative dynamics, suggesting that fermionic quasiparticles localized inside the vortex core contribute significantly to dissipation, thereby opening the route to exploring new pathways for quantum turbulence decay, vortex by vortex.

研究动机与目标

• 实验探究量子流体中涡旋能量耗散的基本机制。
• 区分声子介导的能量损失与相互摩擦及涡旋核心准粒子贡献的贡献。
• 研究费米子特性如何影响超流体的涡旋动力学与能量弛豫。
• 建立自下而上的单涡旋控制平台，以在微观尺度研究量子湍流衰减。

提出的方法

• 利用聚焦高斯障碍物的'筷子'方法，在平面均匀的原子费米气体中制备工程化涡旋偶极子。
• 通过可调谐s波散射长度，实现BCS、单位制和BEC区域的访问，从而系统研究超流相之间的差异。
• 精确控制涡旋偶极子的位置并使其碰撞，以诱导加速度与能量耗散。
• 通过时间分辨原位成像追踪涡旋轨迹，并探测湮灭过程中产生的声学密度脉冲。
• 系统的均匀性及对涡旋间距（d12 ≲3 µm）的精确控制，使得能量损失随尺度的变化得以直接测量。
• 理论建模与模拟用于验证观测到的动力学行为，包括碰撞过程中可压缩动能的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无正常流体组分的情况下，涡旋能量如何耗散？声发射在其中扮演何种角色？
• RQ2 与声子发射相比，束缚在涡旋核心中的费米子准粒子在能量耗散中的贡献程度如何？
• RQ3 超流配对机制（BCS、单位制、BEC）如何影响涡旋湮灭与声发射？
• RQ4 涡旋-涡旋碰撞能否作为探测量子流体动力学耗散机制的可控探针？

主要发现

• 涡旋-反涡旋对湮灭为相干声脉冲，直接可视化为以约4.4 mm/s速度传播的密度激发，与系统中声速一致。
• 在BCS区域，涡旋能量耗散显著增强，远超声子发射，表明涡旋核心中的费米子准粒子在耗散中起主导作用。
• 随着涡旋间距减小，湮灭速率增加；在BCS区域中，对心碰撞导致完全湮灭的概率较高。
• 声发射与涡旋加速度直接相关，碰撞期间可压缩动能增加达∆E_k ≈ 0.15 E_0，证实能量已转移至声学模式。
• 单偶极子轨迹显示由于相互摩擦而逐渐衰减，半衰期在20至40 ms之间，取决于初始间距。
• 观测到的动力学行为与基于DPV模型的数值模拟高度一致，验证了涡旋-涡旋相互作用在能量弛豫中的作用。