中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、苑震生教授、鄧友金教授等與合作者在超冷原子量子模擬實(shí)驗(yàn)中，首次觀測到對流超流相這一新奇量子物態(tài)，證實(shí)了對流的雙組分超流體共同形成絕緣體的特性。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然-物理學(xué)》。論文審稿人高度評價此項(xiàng)工作，認(rèn)為是“量子模擬領(lǐng)域的卓越成就”。
上世紀(jì)30年代，科學(xué)家在液氦中發(fā)現(xiàn)超流現(xiàn)象，推動了人們近一個世紀(jì)以來對相關(guān)的宏觀量子現(xiàn)象的探索，對量子多體物理基礎(chǔ)前沿研究具有重要的科學(xué)意義。超流現(xiàn)象的研究也推動了激光冷卻、稀釋制冷機(jī)等低溫技術(shù)的發(fā)展，為量子模擬、量子計算和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要工具。同時，不斷增強(qiáng)的量子調(diào)控技術(shù)為揭示此類宏觀量子現(xiàn)象中的微觀物理機(jī)制提供了重要的手段和嶄新的研究視角。
本世紀(jì)初，科學(xué)家在理論上提出了對流超流的設(shè)想：與一般的超流體不同，對流超流相中存在兩個相對流動的超流體，它們分別由自旋為A和B的粒子組成；兩種自旋的粒子會相對流動，體現(xiàn)出超流性；但是兩種相對流動的自旋流之間存在嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)使得總粒子流為零，因此整體上看并不存在流動性，而是形成莫特絕緣體。由于對流超流態(tài)的制備需要極低的溫度，其觀測更需要單原子自旋可分辨的測量能力，這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)使得此類超流性與絕緣性共存的新奇物態(tài)一直未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
近年來，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為觀測對流超流相提供了新的手段。在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計制備了無缺陷低熵的雙填充自旋莫特相初態(tài)，由此出發(fā)調(diào)控兩種自旋原子之間的相互作用將體系絕熱演化至對流超流相。使用該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)在對流超流相兩種自旋的粒子數(shù)漲落變大但是總粒子數(shù)的漲落依然很小，該現(xiàn)象說明兩種自旋的原子在格點(diǎn)上存在粒子數(shù)漲落反關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步的時間飛行測量顯示，兩種自旋間存在非零的對流超流關(guān)聯(lián)函數(shù)，即對流超流相的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過探測體系中原子之間的長程自旋關(guān)聯(lián)，該研究估計出系統(tǒng)的溫度低于1.2納米開爾文，這為對流超流相的產(chǎn)生提供了重要的低溫條件。
此項(xiàng)研究表明，超冷原子量子模擬方法為探索新奇物相提供了豐富的量子調(diào)控和觀測手段，成為深入理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子多體物態(tài)中微觀物理機(jī)制的重要工具。相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可拓展到三組分、多組分自旋超流體系的研究中，并進(jìn)一步推動對大自旋原子形成的拓?fù)淞孔游飸B(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-024-02732-5
本文鏈接：中國科大首次觀測到超冷原子氣體中的對流超流相http://m.lensthegame.com/show-11-16189-0.html
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