【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生、鄧友金等與合作者，在超冷原子量子模擬實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到對(duì)流超流相這一新奇量子物態(tài)，證實(shí)了對(duì)流的雙組分超流體共同形成絕緣體的特性。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》(Nature Physics)上。
 

　　20世紀(jì)30年代，卡皮查、艾倫和邁斯納等在液氦中發(fā)現(xiàn)超流現(xiàn)象，推動(dòng)了近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)關(guān)于宏觀量子現(xiàn)象的探索，如玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、量子渦旋、超流-絕緣體相變、拓?fù)淞孔游飸B(tài)以及超流與超導(dǎo)之間關(guān)系等的研究，對(duì)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)象的研究推動(dòng)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(jì)算和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要工具。同時(shí)，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。
 

　　21世紀(jì)初，Kuklov等在理論上提出了對(duì)流超流的設(shè)想：與一般的超流體不同，對(duì)流超流相存在兩個(gè)相對(duì)流動(dòng)的超流體，分別由自旋為A和B的粒子組成；兩種自旋的粒子會(huì)相對(duì)流動(dòng)，體現(xiàn)出超流性；兩種相對(duì)流動(dòng)的自旋流之間存在嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)，使得總粒子流為零，因此整體上看不存在流動(dòng)性，而是形成莫特絕緣體。對(duì)流超流態(tài)的制備需要極低溫度，其觀測(cè)更需要單原子自旋可分辨的測(cè)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)尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
 

　　近年來(lái)，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為觀測(cè)對(duì)流超流相提供了新手段。實(shí)驗(yàn)中，該研究設(shè)計(jì)制備了無(wú)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(duì)流超流相。該研究使用團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)流超流相兩種自旋的粒子數(shù)漲落變大但總粒子數(shù)的漲落依然很小。這說(shuō)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，時(shí)間飛行測(cè)量顯示，兩種自旋間存在非零的對(duì)流超流關(guān)聯(lián)函數(shù)即對(duì)流超流相的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究通過(guò)探測(cè)體系中原子之間的長(zhǎng)程自旋關(guān)聯(lián)，估計(jì)出系統(tǒng)的溫度低于1.2 nK，這為對(duì)流超流相的產(chǎn)生提供了重要的低溫條件。
 

　　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(cè)手段，成為探討強(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)可以拓展到三組分、多組分自旋超流體系的研究中，并能夠推動(dòng)大自旋原子形成的拓?fù)淞孔游飸B(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。
 

　　審稿人認(rèn)為這一工作是“量子模擬領(lǐng)域的卓越成就”，“尤其是基于該團(tuán)隊(duì)前期幾項(xiàng)重要科研進(jìn)展實(shí)現(xiàn)了對(duì)低溫低熵對(duì)流超流態(tài)的制備”，“此工作的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)是制備超低溫自旋莫特相”。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院等的支持。