科學家首次觀測到超冷原子氣體中的對流超流相

　　【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學潘建偉、苑震生、鄧友金等與合作者，在超冷原子量子模擬實驗中首次觀測到對流超流相這一新奇量子物態，證實了對流的雙組分超流體共同形成絕緣體的特性。近期，相關研究成果發表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。
 

　　20世紀30年代，卡皮查、艾倫和邁斯納等在液氦中發現超流現象，推動了近一個世紀以來關于宏觀量子現象的探索，如玻色-愛因斯坦凝聚、量子渦旋、超流-絕緣體相變、拓撲量子物態以及超流與超導之間關系等的研究，對量子多體物理基礎前沿研究具有重要的科學意義。超流現象的研究推動了激光冷卻、稀釋制冷機等低溫技術的發展，為量子模擬、量子計算和相關領域的發展提供了重要工具。同時，不斷增強的量子調控技術為揭示此類宏觀量子現象中的微觀物理機制提供了重要的手段和嶄新的研究視角。
 

　　21世紀初，Kuklov等在理論上提出了對流超流的設想：與一般的超流體不同，對流超流相存在兩個相對流動的超流體，分別由自旋為A和B的粒子組成；兩種自旋的粒子會相對流動，體現出超流性；兩種相對流動的自旋流之間存在嚴格的關聯，使得總粒子流為零，因此整體上看不存在流動性，而是形成莫特絕緣體。對流超流態的制備需要極低溫度，其觀測更需要單原子自旋可分辨的測量能力。這些實驗技術挑戰使得此類超流性與絕緣性共存的新奇物態尚未被實驗證實。
 

　　近年來，超冷原子量子模擬器的出現為觀測對流超流相提供了新手段。實驗中，該研究設計制備了無缺陷低熵的雙填充自旋莫特相初態，由此出發調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。該研究使用團隊開發的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術發現，在對流超流相兩種自旋的粒子數漲落變大但總粒子數的漲落依然很小。這說明，兩種自旋的原子在格點上存在粒子數漲落反關聯。進一步，時間飛行測量顯示，兩種自旋間存在非零的對流超流關聯函數即對流超流相的關鍵實驗證據。研究通過探測體系中原子之間的長程自旋關聯，估計出系統的溫度低于1.2 nK，這為對流超流相的產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控和觀測手段，成為探討強關聯量子多體物態中微觀物理機制的重要工具。相關實驗技術可以拓展到三組分、多組分自旋超流體系的研究中，并能夠推動大自旋原子形成的拓撲量子物態的實驗研究。
 

　　審稿人認為這一工作是“量子模擬領域的卓越成就”，“尤其是基于該團隊前期幾項重要科研進展實現了對低溫低熵對流超流態的制備”，“此工作的一個關鍵創新點是制備超低溫自旋莫特相”。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。