跨相变驱动偶极气体中波湍流的产生

为什么量子涟漪会变得湍动

提到湍流，我们会联想到暴风雨的天空或翻腾的海洋，而不是被冷却到接近绝对零度的原子云。然而这项研究表明，即便是这些脆弱的量子气体也能以一种出人意料的普遍方式变得湍动。通过驱动由强磁性原子构成的奇特物质相“超固体”，作者观察到其有序结构崩解为一片波动的湍流海洋，从而揭示能量在量子世界中如何跨尺度级联。

介于固体与液体之间的奇异相

这项工作聚焦于镝原子的超冷气体，它们的磁矩使得原子间存在相对长程的相互作用。在合适条件下，这些原子会排列成微小的、自束缚的液滴，同时依然共享一个无摩擦的流动——这种混合相被称为超固体。它既具有晶体般的有序（重复出现的密度峰），又呈现超流行为（质量可以无阻力流动）。这种不寻常的组合使超固体成为研究结构化量子物质在远离平衡状态下如何响应的理想试验场。

将系统驱过其量子相变

在模拟中，研究人员将大约八万枚镝原子囚禁在一个雪茄形的三维谐振“碗”中。然后他们周期性地调节原子间相互作用的强度，这一在现代实验中可以通过磁场实现的技巧。通过调制这种相互作用，他们迫使气体反复越过相界：从超固体到普通超流体、再从超流体回到超固体、以及从超固体进入近乎孤立液滴的晶格。这样的周期性驱动以受控方式向系统注入能量，就像以选定频率摇动一容器中的水一样。

从有序图样到湍动波

随着驱动进行，最初整齐的六角形液滴阵列开始“融化”。晶体对称性被破坏，高密度峰值移动并合并，流体背景中出现并消失小涡旋对。随着时间推移，液滴的细节结构逐渐褪去，气体出现类似于非磁性超流体中观察到的“波湍流”的不规则密度涟漪。这种湍流并非由旋转涡旋主导，而是由非线性波主导，这些波在宽广的长度尺度上交换能量和粒子。

湍动级联的普适指纹

为诊断湍流，作者分析了原子在不同动量上的分布，对应于密度图样的波动性。他们发现，在晚期，这种动量分布几乎不依赖方向并遵循一个简单的幂律：强度随着动量大致按固定幂次衰减。动能谱中也出现了相同类型的幂律行为。共同来看，这些特征表明存在直接能量级联——能量从大的、缓变的结构流向越来越细的涟漪。令人惊讶的是，描述这种标度的关键指数无论系统最初是超固体、超流体，还是液滴阵列，乃至无论精确的驱动频率如何，都趋于相似的数值。

超固体：通往湍流的快车道

一个核心发现是，超固体比普通超流体更快到达湍动态。因为超固体自然支持位于更高动量处的激发——与其激发谱中的“罗顿极小值”相关——它们的初始动量分布已经延伸到更高波数区域。这给能量级联提供了先机：所谓的级联前沿，即湍动谱推进的边缘，随时间以普适幂律向外移动，但在超固体情况下从更大的动量处起始。即便加入现实的三体损失过程（会逐渐从高密度区域移除原子），相同的湍动标度仍会出现，只是最高动量成分衰减更显著。

对更广阔图景的意义

对非专业读者而言，主要信息是：量子世界中的湍流遵循出人意料的普适规律，即便在具有长程、强方向性相互作用和像超固体这样奇异相的系统中也是如此。通过展示相同类型的波湍流跨越不同初态并能在现实损失下存活，这项工作为利用可调量子气体在实验室中研究湍动级联铺平了道路。此类实验或可帮助把我们对湍流的理解从冷原子体系联系到等离子体、海洋和天体流体，揭示能量如何流动和结构如何在自然界中跨尺度破碎的深层共性。

引用: Bougas, G.A., Mukherjee, K. & Mistakidis, S.I. Generation of wave turbulence in dipolar gases driven across their phase transitions. Commun Phys 9, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02487-w

关键词: 量子湍流, 超固体, 偶极玻色-爱因斯坦凝聚体, 波级联, 超冷原子