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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：4438
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。
早在上世紀30年代，科學家們就在液氦中發現了超流現象，這一發現開啟了人們近一個世紀以來對宏觀量子現象的探索。超流現象不僅推動了激光冷卻、稀釋制冷機等低溫技術的發展，更為量子模擬、量子計算等領域的發展提供了重要工具。
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，這些實驗技術挑戰使得此類超流性與絕緣性共存的新奇物態一直未被實驗證實。近年來，超冷原子量子模擬器的出現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。這一發現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量子多體物態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，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。他們使用團隊開發的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術，發現在對流超流相中，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。
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，研究團隊估計出系統的溫度低于1.2 nK，這為對流超流相的產生提供了重要的低溫條件。
這一發現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量子多體物態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于近日發表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。
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