博科園：本文為物理學類

中子星內部究竟發生了什麼還有待猜測。就物理學而言，中子星、冷原子氣體和核系統的內部都有一個共同點：它們都是由高度相互作用的超流體費米子組成的氣體系統。研究人員給超級計算機Piz注入了一種新的模擬方法，結果最終提供了對此類系統未知過程的洞察。中子星、冷原子氣體和核系統都是由高度相互作用的超流體費米子組成的氣體系統，即由自旋為半整數粒子(固有角動量)組成的系統。費米子的種類包括電子、質子和中子。在非常低的溫度下，這些系統被描述為超流體，這意味著它們中的粒子不會產生任何內摩擦，並且具有幾乎完美的導熱性能。

博科園-科學科普：這些超流體費米氣體的行為不符合經典物理定律，而是可以更好地用量子力學定律來描述。華沙理工大學和西雅圖華盛頓大學助理教授加布里埃爾·瓦茲沃夫斯基及其團隊最近開發了一種基於密度泛函理論（DFT）的新方法。在超級計算機Piz Daint的幫助下，他們的目標是創建這些超流體費米子系統及其動力學的高度精確描述。換句話說，它們將描述渦旋如何在這種「原子云」中形成和衰減，其研究結果發表在《物理評論快報》上。在超流體費米氣體中，單個費米子和相關費米子同時存在。從自旋相反的粒子之間的相互關係中，材料的超導性能出現了。

中子星的結構示意圖。圖片：Watts, A et al., Rev. Mod. Phys. 88, 021001

相關的費米子，像超導體中的電子一樣，以冷凝態成對存在，被稱為庫柏對。每一對都可以在不損失能量的情況下通過系統。然而，多年來人們一直在研究自旋不平衡的情況下會發生什麼，因為不是每個粒子都能找到自旋相反的夥伴來形成庫珀對。情況類似於民間舞會，男女人數不平衡，有人會因為他/她不能組成一對而感到沮喪。未成對原子的作用是什麼？這正是研究人員一直在研究的。對超流體費米氣體，特別是自旋不平衡系統的精確描述，在過去一直是非常困難的，旋轉不平衡發生在系統受到磁場的影響。研究人員現在的目標是將DFT形式應用於中子星以及磁星(具有強磁場的中子星)，以預測內部發生的事情。

這些形狀代表了研究人員在自旋不平衡原子云中發現的各種漩渦。圖片：Gabriel Wlaz?owski

顯然，沒有辦法明確地探測恆星的內部。因此,我們需要依靠模擬，需要可靠的工具。因此，研究人員正在尋找一個與目標系統有很多相似之處的陸地系統。事實證明，強相互作用的超冷原子氣體與中子物質非常相似。在數值實驗中，研究人員使用了目前可用於多體系統的最完整的量子理論描述來描述這種類型的系統。這使得他們能夠對超流體系統產生更深入的DFT理論。他們還將其與一種特殊的時間相關的非平衡費米氣體的超流體局部密度近似結合起來如果沒有近似，超導DFT將導致甚至對於億億級超級計算機而言無法達到的積分微分方程式。通過目前的研究，研究人員現在能夠證明這種近似在考慮的系統中非常有效。

模擬和實驗之間的聯繫

通過創建計算的可視化並將這些圖像與實驗照片進行比較，能夠直接觀察這些量子力學系統。理論和實驗結果的比較得出了極好的相關性。這使得研究人員能夠提供證據，證明他們計算這類系統行為的新方法是有效的。下一步，將把這種方法應用到肉眼永遠看不到的過程中，比如中子星內部的過程。另一個重要的發現來自於研究人員對超流體中三種不同的渦旋衰減模式的觀察。根據研究人員的說法，不同的衰變模式(見圖)取決於系統粒子的自旋極化。極化是由超流體氣體中未成對粒子的吸附作用引起。換句話說：大自然試圖在不阻礙超流體的區域收集未成對粒子。

量子化渦旋核心就是這樣的地方，不同渦旋的極化會阻止它們再次結合，至少研究人員是這樣預測的。因此假定極化效應對量子現象有相當大的影響，並將導致物理學中尚未發現的新領域。然而，僅僅重現一些數據是不夠的——我們能預測一些全新的東西嗎？下一個要克服的重要障礙是找出這種方法是否具有預測能力。這種高度複雜的問題需要巨大的計算能力。從技術上講，研究人員解決了數十萬個依賴於時間的非線性耦合三維偏微分方程(PDEs)。因此，該研究的作者向歐洲高級計算夥伴關係(PRACE)提交了計算時間請求，並獲准在CSCS上使用Piz Daint，因為按照作者的說法，在歐洲只有Piz Daint可以處理此類計算。

博科園-科學科普｜研究/來自: 瑞士國家超級計算中心/Simone Ulmer

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.253002

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