中国科大首次观测到超冷原子气体中的对流超流相

中国科学技术大学潘建伟、苑震生、邓友金等与合作者在超冷原子量子模拟实验中，首次观测到对流超流相（counterflow superfluidity）这一新奇量子物态，证实了对流的双组分超流体共同形成绝缘体的特性。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《自然·物理学》（Nature Physics）上。

上世纪30年代，卡皮查、艾伦和迈斯纳等在液氦中发现超流现象，这推动了人们近一个世纪以来对相关的宏观量子现象的探索，如玻色-爱因斯坦凝聚、量子涡旋、超流-绝缘体相变、拓扑量子物态、以及超流与超导之间关系等的研究，对量子多体物理基础前沿研究具有重要的科学意义。超流现象的研究也推动了激光冷却、稀释制冷机等低温技术的发展，为量子模拟、量子计算和相关领域的发展提供了重要工具。同时，不断增强的量子调控技术为揭示此类宏观量子现象中的微观物理机制提供了重要的手段和崭新的研究视角。

本世纪初，Kuklov等在理论上提出了对流超流的设想：与一般的超流体不同，对流超流相中存在两个相对流动的超流体，它们分别由自旋为A和B的粒子组成；两种自旋的粒子会相对流动，体现出超流性；但是两种相对流动的自旋流之间存在严格的关联使得总粒子流为零，因此整体上看并不存在流动性，而是形成莫特绝缘体。由于对流超流态的制备需要极低的温度，其观测更需要单原子自旋可分辨的测量能力，这些实验技术挑战使得此类超流性与绝缘性共存的新奇物态一直未被实验证实。

近年来，超冷原子量子模拟器的出现为观测对流超流相提供了新的手段。在此项实验中，研究团队巧妙地设计制备了无缺陷低熵的双填充自旋莫特相初态，由此出发调控两种自旋原子之间的相互作用将体系绝热演化至对流超流相。使用该团队开发的具备单原子自旋可分辨的量子气体显微镜技术，他们发现在对流超流相两种自旋的粒子数涨落变大但是总粒子数的涨落依然很小，该现象说明两种自旋的原子在格点上存在粒子数涨落反关联。进一步的时间飞行测量显示两种自旋间存在非零的对流超流关联函数，即对流超流相的关键实验证据。通过探测体系中原子之间的长程自旋关联，该研究估计出系统的温度低于1.2 nK，这为对流超流相的产生提供了重要的低温条件。

此项研究表明，超冷原子量子模拟方法为探索新奇物相提供了丰富的量子调控和观测手段，成为深入理解强关联量子多体物态中微观物理机制的重要工具。相关实验技术可拓展到三组分、多组分自旋超流体系的研究中，并进一步推动对大自旋原子形成的拓扑量子物态的实验研究。该工作得到了论文审稿人的高度评价，认为此项工作是“量子模拟领域的卓越成就”“尤其是基于该团队前期几项重要科研进展实现了对低温低熵对流超流态的制备”“此工作的一个关键创新点是制备超低温自旋莫特相。”

中国科学技术大学郑永光博士（现为剑桥大学博士后研究员）和博士研究生骆安为论文的共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和安徽省以及中国博士后科学基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02732-5；

论文PDF：https://rdcu.be/d5ADe

（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

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