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科學家首次觀測到超冷原子氣體中的對流超流相
2025年01月17日 13:52:55
來源：化工儀器網 點擊量：4445
中國科學技術大學的潘建偉、苑震生、鄧友金及其合作者，在超冷原子量子模擬實驗中，首次成功觀測到了對流超流相(Counterflow superfluidity)這一新奇量子物態(tài)。
早在上世紀30年代，科學家們就在液氦中發(fā)現(xiàn)了超流現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)開啟了人們近一個世紀以來對宏觀量子現(xiàn)象的探索。超流現(xiàn)象不僅推動了激光冷卻、稀釋制冷機等低溫技術的發(fā)展，更為量子模擬、量子計算等領域的發(fā)展提供了重要工具。
進入本世紀初，Kuklov等理論物理學家提出了對流超流的設想。然而，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，這些實驗技術挑戰(zhàn)使得此類超流性與絕緣性共存的新奇物態(tài)一直未被實驗證實。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。
中國科學技術大學的潘建偉、苑震生、鄧友金及其合作者，在超冷原子量子模擬實驗中，首次成功觀測到了對流超流相(Counterflow superfluidity)這一新奇量子物態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了對流的雙組分超流體共同形成絕緣體的特性，更為我們理解強關聯(lián)量子多體物態(tài)中的微觀物理機制提供了新的視角。
潘建偉團隊巧妙地設計制備了無缺陷低熵的雙填充自旋莫特相初態(tài)，并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。他們使用團隊開發(fā)的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術，發(fā)現(xiàn)在對流超流相中，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(lián)。
進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聯(lián)函數，這是對流超流相的關鍵實驗證據。通過探測體系中原子之間的長程自旋關聯(lián)，研究團隊估計出系統(tǒng)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。
這一發(fā)現(xiàn)不僅證實了理論物理學家關于對流超流相的預測，更展示了超冷原子量子模擬方法在探索新奇物相方面的強大能力。該方法為科學家們提供了豐富的量子調控和觀測手段，成為深入理解強關聯(lián)量子多體物態(tài)中微觀物理機制的重要工具。
此外，這一實驗技術還可以拓展到三組分、多組分自旋超流體系的研究中，并有望推動大自旋原子形成的拓撲量子物態(tài)的實驗研究。這些研究將進一步豐富我們對量子世界的認識，并為量子計算、量子通信等前沿科技的發(fā)展提供新的思路和可能。
相關研究成果Counterflow superfluidity in a two-component Mott insulator于近日發(fā)表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。
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