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中國科學(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。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，推動了近一個(gè)世紀(jì)以來關(guān)于宏觀量子現(xiàn)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?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流超流的設(shè)想：與一般的超流體不同，對流超流相存在兩個(gè)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(xiàn)出超流性；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，因此整體上看不存在流動性，而是形成莫特絕緣體。對流超流態(tài)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(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，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手段。實(shí)驗(yàn)中，該研究設(shè)計(jì)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。該研究使用團(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)發(fā)現(xiàn)，在對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)。研究通過探測體系中原子之間的長程自旋關(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)了對低溫低熵對流超流態(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”。

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

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