中國科大首次在玻色-費米雙超流體中觀測到量子渦旋晶格

　　近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉及其同事陳宇翱、姚星燦等在國際上首次實現(xiàn)了一種全新的量子物態(tài)——質(zhì)量不平衡的玻色-費米雙超流體，并在該雙超流體中成功地產(chǎn)生和觀測到玻色-費米量子渦旋晶格。這一實驗發(fā)現(xiàn)開辟了超冷原子領(lǐng)域全新的研究方向，為理解復雜宏觀量子現(xiàn)象提供了一種獨特的研究手段。該成果發(fā)表在9月27日出版的《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理評論快報》以編輯推薦（Editors’ Suggestion）的形式報道了這項研究成果，美國物理學會網(wǎng)站Physics Synopsis欄目將該成果作為亮點報道。

　　1937年，前蘇聯(lián)物理學家P.Kapitza發(fā)現(xiàn)，將液氦-4的溫度冷卻至2.17K以下時，它能夠很快流過0.5μm寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，一種可與超導媲美的宏觀量子效應(yīng)。20世紀40年代，物理學家L.Onsager、L.Landau、R.Feynman等人在理論上發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超流體宏觀波函數(shù)中存在拓撲奇異點，原子會圍繞這些拓撲奇異點做旋轉(zhuǎn)運動——這就是所謂的量子渦旋。

　　物理學家對超流以及量子渦旋的研究已持續(xù)了近一個世紀，并獲得了多項諾貝爾物理學獎。P.Kapitza首次觀測到玻色液體的超流現(xiàn)象，獲得1978年諾貝爾物理學獎；L.Landau提出了超流體的量子理論，解釋并預言了超流體的許多重要性質(zhì)，獲得1962年諾貝爾物理學獎；D.Lee、D.Osheroff、R.Richardson等人成功地將液氦-3冷卻至2.5mK以下，并首次觀測到了費米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學獎；A.A.Abrikosov通過求解Ginzburg–Landau方程，發(fā)現(xiàn)量子渦旋會遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結(jié)構(gòu)；A.Leggett提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費米超流的機理，他們因此分享了2003年諾貝爾物理學獎。

　　自從實現(xiàn)液氦-3費米超流以來，物理學家們就不斷嘗試將具有不同統(tǒng)計性質(zhì)的兩種液氦混合在一起，以期能實現(xiàn)玻色-費米雙超流體這一全新的量子物態(tài)?？茖W家們認為在這種量子物態(tài)中將會存在一種獨特的相互作用，能夠被用來研究和理解超導中的電聲子耦合。令人遺憾的是，由于氦原子之間的相互作用太強，即使將液氦冷卻至100μK以下，仍然無法實現(xiàn)氦-3和氦-4的雙超流。與液氦相比，超冷原子具有無與倫比的可控性與純凈性，已逐漸成為實現(xiàn)并研究超流體最為理想的物理體系。

　　中國科大研究團隊經(jīng)過多年努力，對超冷原子實驗操控技術(shù)進行了全方位的革新，搭建了一套可以同時冷卻操控鋰和鉀原子的世界領(lǐng)先的實驗平臺。通過發(fā)展新一代的激光冷卻、高效率磁輸運、光阱陷俘、高分辨成像等核心技術(shù)，研究人員最終成功地在一種獨創(chuàng)的“碟片交叉光阱”中首次實現(xiàn)了質(zhì)量不平衡的玻色-費米雙超流體。在實現(xiàn)玻色-費米雙超流體后，研究團隊迅速把目光投向玻色-費米量子渦旋的研究。他們通過各種努力將各項實驗參數(shù)優(yōu)化到極致，最終在10nK的極低溫下，獲得了高達150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體，為產(chǎn)生和觀測玻色-費米量子渦旋奠定了堅實基礎(chǔ)。研究人員進一步設(shè)計了極其精巧的光學裝置，產(chǎn)生了兩束直徑為20μm、可以對稱地圍繞雙超流體轉(zhuǎn)動的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉(zhuǎn)起來。利用他們創(chuàng)造性發(fā)展的能夠同時對雙組份原子進行高分辨成像的技術(shù)，通過精密調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)激光的位置、光強、頻率等參數(shù)，最終成功地產(chǎn)生并觀測到了玻色-費米量子渦旋晶格。

    該項研究的預印本于2016年6月在arXiv.org公開后，引起學術(shù)界的廣泛關(guān)注，獲得了國際同行的高度評價。諾貝爾物理學獎得主W.Ketterle評價其為“一個精彩絕倫的實驗工作”；諾貝爾物理學獎得主A.Leggett認為，這是“極為重要的實驗工作，毫無疑問將激發(fā)大量的理論研究”；麻省理工學院教授M.Zwierlein稱其為“超流研究領(lǐng)域一個里程碑式的工作”?！段锢碓u論快報》審稿人認為這是超冷原子研究領(lǐng)域“一個最頂尖的實驗工作”，“超流研究中最具競爭力的實驗工作，為研究質(zhì)量不平衡的雙超流系統(tǒng)鋪平了道路。”

玻色-費米量子渦旋晶格