在常見的三種狀態(tài)——固體、液體和氣體——之外，還有一些更奇妙的狀態(tài)，比如超流。超流是一種沒有粘滯阻力的流體，它可以沿著容器的壁面爬上去，甚至逆著重力流動。超流的存在是量子力學的一個重要結(jié)果，它表明了物質(zhì)的微觀波動性。

超流的一個典型例子是液氦，在接近絕對零度的低溫下，液氦的原子會形成玻色-愛因斯坦凝聚，從而表現(xiàn)出超流性。但是，如果我們考慮的是費米子，比如電子或中子，它們是否也能形成超流呢？答案是肯定的，但是機制卻不同。費米子由于泡利不相容原則，不能像玻色子那樣聚集在同一個量子態(tài)，它們必須通過一種叫做庫珀配對的過程，兩個兩個地結(jié)合成類似玻色子的復(fù)合粒子，才能實現(xiàn)超流。這種超流的例子包括超導(dǎo)體中的電子對和中子星中的中子對。

那么，如果我們有一種既不是玻色子也不是費米子的粒子，它們能不能形成超流呢？這聽起來似乎是一個荒謬的問題，因為所有的粒子都要么是玻色子要么是費米子。但是，如果我們考慮的是一種叫做費米氣體的系統(tǒng)，它由一些相互作用很強的費米子組成，那么情況就有點不同了。在這種情況下，費米子之間的相互作用會導(dǎo)致它們的性質(zhì)發(fā)生變化，從而使得它們在某種意義上既像玻色子又像費米子。這種系統(tǒng)可以在實驗室中用冷原子氣體來實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)原子之間的散射長度，可以在玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）和巴丁-庫珀-施里弗（BCS）超流之間實現(xiàn)連續(xù)的過渡。這種過渡被稱為BEC-BCS串聯(lián)，它是強關(guān)聯(lián)費米系統(tǒng)的一個重要范例，它與高溫超導(dǎo)體、中子星和夸克-膠子等離子體等系統(tǒng)有著深刻的聯(lián)系。

BEC-BCS串聯(lián)的一個關(guān)鍵問題是，它的超流相變發(fā)生在什么溫度？這個問題并不容易回答，因為強相互作用使得理論計算變得非常困難，而實驗測量也面臨著很多挑戰(zhàn)。為了探測超流相變，我們需要一種能夠直接測量系統(tǒng)的溫度和熱輸運的方法。在常規(guī)的材料中，我們可以用熱電偶或者熱像儀來實現(xiàn)這一目的，但是在冷原子氣體中，這些方法都不適用，因為原子之間沒有電荷或者磁矩，也沒有固定的形狀或者邊界。那么，我們該怎么辦呢？

最近發(fā)表在《科學》上的一篇論文介紹了一種新的方法——熱成像，來測量強相互作用費米氣體的溫度和熱輸運。這種方法的原理是，利用無線電頻率（rf）光來激發(fā)原子的內(nèi)部躍遷，從而改變原子的自旋態(tài)。這個過程會導(dǎo)致原子的能量發(fā)生變化，從而影響原子的運動狀態(tài)。通過測量原子的運動分布，我們就可以反推出原子的能量分布，也就是溫度分布。這就好像通過觀察一個發(fā)光的金屬的顏色，來判斷它的溫度一樣。這種方法的優(yōu)點是，它可以在空間上進行分辨，從而得到系統(tǒng)的局域溫度，而不是整體的平均溫度。而且，它對于不同的相互作用強度和不同的相態(tài)都是適用的，因為它只依賴于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不依賴于原子之間的相互作用。

利用這種方法，研究人員在一個二維的強相互作用費米氣體中，觀察到了超流相變的直接證據(jù)。研究人員首先在系統(tǒng)中制造了一個熱點，然后觀察它的演化。在超流相變的臨界溫度以下，他們發(fā)現(xiàn)熱點的擴散速度突然變快，而且呈現(xiàn)出振蕩的行為。這說明熱點的擴散不再是由熱擴散引起的，而是由超流的波動引起的，這種波動被稱為第二聲。第二聲是一種由超流和正常流兩種流體組成的復(fù)合波，它可以在超流中傳播熱量，而不損耗能量。通過分析第二聲的速度和衰減，我們可以得到超流的密度和粘滯系數(shù)，從而驗證了蘭道的雙流體理論。他們還發(fā)現(xiàn)，在超流相變的臨界點附近，第二聲的擴散系數(shù)出現(xiàn)了一個峰值，這表明了系統(tǒng)的臨界行為。

他們的實驗為強相互作用費米氣體的熱輸運提供了一種新的探測手段，它可以揭示系統(tǒng)的熱力學和流體力學的性質(zhì)，從而為理解強關(guān)聯(lián)費米系統(tǒng)的物理機制提供了重要的信息。