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科學(xué)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(wǎng) 點(diǎn)擊量：2873

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jì)30年代，科學(xué)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(gè)世紀(jì)以來對宏觀量子現(xiàn)象的探索。超流現(xiàn)象不僅推動(dòng)了激光冷卻、稀釋制冷機(jī)等低溫技術(shù)的發(fā)展，更為量子模擬、量子計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要工具。
 
　　進(jìn)入本世紀(jì)初，Kuklov等理論物理學(xué)家提出了對流超流的設(shè)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(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)一直未被實(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的手段。
 
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)關(guān)聯(lián)量子多體物態(tài)中的微觀物理機(jī)制提供了新的視角。
 
　　潘建偉團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)制備了無缺陷低熵的雙填充自旋莫特相初態(tài)，并調(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。他們使用團(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)在對流超流相中，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)一步的時(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)，這是對流超流相的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過探測體系中原子之間的長程自旋關(guān)聯(lián)，研究團(tuán)隊(duì)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。
 
　　這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了理論物理學(xué)家關(guān)于對流超流相的預(yù)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(qiáng)大能力。該方法為科學(xué)家們提供了豐富的量子調(diào)控和觀測手段，成為深入理解強(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。
 
　　此外，這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(dòng)大自旋原子形成的拓?fù)淞孔游飸B(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。這些研究將進(jìn)一步豐富我們對量子世界的認(rèn)識，并為量子計(jì)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(guān)研究成果Counterflow superfluidity in a two-component Mott insulator于近日發(fā)表在《自然-物理學(xué)》(Nature Physics)上。

 

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