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　　9月25日，湖州师范学院理学院李可副研究员团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了题为“Observation of universal expansion anisotropy from cold atoms to hot quark-gluon plasma”的研究论文。该研究发现了适用于冷原子与夸克-胶子等离子体各向异性膨胀的普适标度律，以及它们类似于“随机游走”的典型特征。该研究在尺度与物理机制上存在巨大差异的两个物理系统间搭建了桥梁，有效挑战了描述相互作用系统膨胀机制的流体动力学范式，促进我们对各向异性膨胀机制的更深入理解，并有可能推进我们对早期宇宙稠密夸克-胶子等离子体状态的进一步研究。

　　首次发现冷原子和重离子碰撞这两种差异巨大的物理体系的各向异性膨胀随系统不透明度的变化遵循普适标度律。

　　各向异性膨胀在系统的不透明度很小时就能突现，突破了“完美流体是强相互作用各向异性膨胀的前提”的传统观点。

　　宇宙大爆炸后约10微秒，物质以夸克胶子等离子体（QGP, quark-gluon Plasma）形式存在，其温度超过1012 K、密度达1015 g/cm3。在美国纽约Brookhaven的相对论重离子对撞机（RHIC, Relativistic Heavy-Ion Collider），以及瑞士Geneva的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC, Large Hadron Collider）上，科学家们将离子加速到接近光速，并使之相对碰撞来制备QGP。由于两个碰撞离子的重叠区域近杏仁状，导致产物粒子的初始空间具有各向异性；在随后的膨胀过程中，粒子间强烈的相互作用将这种初态空间各向异性转化为动量空间各向异性——即产生各向异性椭圆流，它通常被视为产生QGP的证据。但在重离子碰撞实验中，人们无法精确调控这种超强相互作用，以至于很难更准确地研究QGP的性质。

　　超冷原子气体的温度（~10-6 K），密度（~10-12 g/cm3），相对于QGP分别低约18和27个数量级。实验上很容易观测到从空间各向异性势阱释放的冷原子表现出不同程度的各向异性膨胀，这是因为冷原子之间的电磁相互作用强度可通过磁场调节到极弱或极强。本论文研究聚焦于两大差异悬殊的系统，以“不透明度”（粒子平均碰撞次数）为纽带，探索各向异性膨胀的普适规律，挑战流体动力学主导膨胀的传统认知。

　　图1：在冷原子和相对论重离子碰撞两个迥异体系的各向异性膨胀观测到普适标度律

　　先将中心波长为1064 nm的两束红外激光聚焦，再使之相交于焦点来构建光学偶极阱（ODT, Optical Dipole Trap）；光学偶极阱可同时囚禁两组份基态6Li费米原子气体，其中的两种自旋态为图2a中用绿色虚线圈选的两个能量最低基态。利用外部磁场B（527–834G）调节冷原子气体的相互作用（Feshbach Resonance共振技术），使其强度范围从近似无相互作用覆盖到极强。例如，在磁场B=527G时，两个自旋不相同的冷费米原子之间的相互作用近似于无；而在磁场B=834G时，相互作用极强（图2b）。

　　改变两束光的交叉角（10°和 35°），可将这团雪茄型冷原子气体的纵横比（β）分别调节为1/11.4和1/3.17。其长轴沿坐标轴的z方向、短轴沿径向x方向（图3）。在蒸发冷却结束后，将磁场调到B=527G，这时原子之间的相互作用近似于无。采用共振吸收成像技术（RAI, Resonance Absorption Imaging）记录其中一个自旋态原子的密度分布，分析稀薄冷原子气体的基本性质（表1）。

　　利用RAI技术记录一系列时刻的膨胀原子云密度分布，拟合出轴向（σz）和横向（σx）均方根半径，再根据公式，

　　并结合初始几何偏心率，ε2=(1-β2)/(1+β2)，校正v2以便与QGP数据比较。

　　由于冷原子系统和重离子碰撞系统各向异性参数的定义有所不同，两者之间首先需要作一个两倍的调整。研究发现线性修正的各向异性参数 (v2/ε2) 不足以统一描述冷原子和QGP各向异性膨胀（见原文图4），还需考虑其相对于初始空间各向异性（偏心率）的非线性响应成分。最终发现采用非线性修正的各向异性参数（v2/[ε2 (1+0.75ε22 )]）时，冷原子与重离子系统能被系统不透明度统一标度（图4A）。在这个非线性各向异性参数中，常数0.75为非线性修正系数。幂律拟合得v2/[ε2(1+0.75ε22)]=(0.082±0.006)ncoll0.46±0.03，这个接近0.5的幂律指数，揭示了系统在v2–ncoll参数空间具有“随机游走”的特征(图4B)；也预示各向异性膨胀可以不依赖于具体的相互作用形式、系统的大小，仅用不透明度参数ncoll就可以统一标度。

　　我们开展了用调节光阱几何形状来改变初始各向异性的正常相6Li冷原子实验，以不透明度ncoll（即从原子云中心出发的测试原子的平均碰撞次数）度量相互作用强度，系统研究其与各向异性膨胀行为的关系。发现冷原子纵横比反转在ncoll 1（相互作用量小）时即发生，各向异性膨胀参数v2在ncoll较小时快速增大，较大时增长缓慢。这挑战了重离子碰撞系统中 “强相互作用是产生理想流体各向异性流的必要条件” 的现有认知；通过量化对比发现，冷原子与重离子系统的经非线随ncoll变化的趋势趋同，并且可用幂律函数拟合，v2/[ε2 (1+0.75ε22)]=(0.082±0.006)ncoll0.46±0.03，揭示其“随机游走”特征，表明不同相互作用形式、强度与大小的系统，只要ncoll相同则膨胀各向异性参数相近，这种普适标度律或可统一描述从弱相互作用稀薄原子气体到早期宇宙中强相互作用QGP等多种物理系统。

　　Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者李可副研究员代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

　　首先，我们首次发现冷原子与重离子碰撞体系的各向异性参数v2随不透明参数ncoll变化的普适标度律；第二点，标度函数的形式可类比随机游走，预示普适规律的适用可不受系统相互作用的具体形式和系统大小的约束，有可能实现对自然界中从弱相互作用的稀薄原子气体到早期宇宙中强相互作用QGP等多种系统的统一描述。最后，我们的研究结果挑战了关于与重离子碰撞系统的现有认知，即“强相互作用是产生理想流体各向异性流的必要条件”。

　　研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

　　在如何估算相对论重离子碰撞系统的不透明度方面，我们碰到了巨大的挑战。这是因为所需要的相对论重离子碰撞系统的参数是非常不确定的。同时相对论重离子碰撞系统的初始条件也有很大程度的模型依赖性。我们还利用了相对论重离子碰撞领域经常用的AMPT模型。各个方面的相互验证增强了我们这个工作的坚实度。这个困难主要通过团队中核物理方面的成员完成数据和相关模拟分析。我们还要感谢审稿人，他们提出的批评和建议在很大程度上帮助我们不断完善论文草稿。这项工作使我们更充分地认识到在交叉学科的研究中，不同领域的成员相互作交流非常重要，是取得这项研究成果的关键；我们相信沿着这条路走下去，会取得更多新发现。

　　未来可通过提升原子密度拓展高不透明度区域，当然这可能很难，因为在更高的密度条件下，三体碰撞损失有可能制约密度的提高；我们也计划从另一角度，就是降低密度来模拟小系统碰撞动力学；例如，制造三角形势阱研究三角流，或者将冷原子气体的温度进一步降低到超流态探索相变的影响等。

　　在同类实验室中，观测强相互作用费米原子气体的各向异性膨胀，其实验难度并不高；我们通过仔细调节这个“常见”系统的相互作用和初态，定量化系统的各向异性参数和不透明度，发现更深层次的普适规律。这正如苹果落地很常见，但从中总结出万有引力方程则意义更深远。从这个意义上说，我们的研究工作发表在Newton是一个相当契合的选择。

　　李可，湖州师范学院理学院副研究员，强耦合物理国际研究实验室（SPiRL）成员。主要研究方向为冷原子与重离子碰撞交叉物理实验研究。迄今累计发表学术论文二十余篇。主持科技部重点研发计划子课题1项，参与国家自然科学基金重点项目1项，主持浙江省级虚拟仿线项。

　　宋红芳，湖州师范学院理学院助理研究员，湖州师范学院强耦合物理国际研究实验室（SPiRL）成员，主要从事冷原子、离子及精密光谱实验研究等。在 Physical Review A, Chinese Journal of Physics等期刊发表学术论文十余篇。主持国家自然科学基金青年项目1项、浙江省自然科学基金探索类项目1项、浙江省虚拟仿线项。

　　徐浩洁，湖州师范学院理学院研究员，湖州师范学院强耦合物理国际研究实验室（SPiRL）成员，主要从事相对论重离子碰撞中的现象学与实验研究等。2018年至今参与美国STAR实验国际合作组。目前累计发表学术期刊论文百余篇，其中分别以第一/通讯作者身份在Physics Review Letters发表论文4篇。主持国家自然科学基金面上项目一项、青年项目一项，浙江省自然科学基金探索类项目一项；参与国家自然科学基金重点项目和面上项目等若干项。

　　孙宇梁，湖州师范学院理学院副教授，湖州师范学院强耦合物理国际研究实验室（SPiRL）成员，主要从事低能量密度下粒子运动各向异性流、离子操纵等方面的研究工作；同时进行虚拟仿真实验、混合式教学等教研课题研究。主持完成国家自然科学基金项目1项。主持浙江省教改、一流课程、精品在线开放课程、虚拟仿线项。在Physical Review C等期刊上发表学术论文30余篇。

　　原标题：《湖州师范学院团队Newton：普适标度律揭示从原子到早期宇宙的膨胀奥秘 Cell Press对话科学家》

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