基于新型量子模擬平臺，首次發(fā)現(xiàn)三重向列序量子超流體

來自北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院的消息顯示，在近期的高軌道光晶格實(shí)驗(yàn)中，學(xué)院電子學(xué)系周小計教授團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)李曉鵬教授合作，在一種蜂窩狀的光晶格中觀測到了超冷原子在保持晶格平移不變性的情況下形成破缺晶格轉(zhuǎn)動對稱性的超流體，并將此新型量子物質(zhì)狀態(tài)命名為三重向列序超流（Potts-Nematic Superfluid）。

據(jù)了解，自然界中除了液體和固體等常規(guī)的物質(zhì)狀態(tài)以外，還存在介于兩者之間的液晶態(tài)。并且液晶可以形成向列序 --- 即在保持平移不變性的情況下失去各向同性。

據(jù)此類比，超流體和超固體這兩種量子物質(zhì)狀態(tài)之間也存在一種超流版本的液晶態(tài)。相比較而言，超流版本的液晶態(tài)同時具備超流體和超固體的優(yōu)勢，可以在保持空間平移不變性的情況下，破缺空間和相位轉(zhuǎn)動的對稱性。這種奇異的超流液晶態(tài)尚未在自然界中發(fā)現(xiàn)。

▲左圖為實(shí)驗(yàn)中觀測到的三重向列序量子超流體的動量空間分布（藍(lán)色圖），以及理論預(yù)測的向列序?qū)嵖臻g分布（紅色圖）；右圖為六百次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的三種向列序隨機(jī)出現(xiàn)的次數(shù)的統(tǒng)計分布圖（以向列序?qū)Ρ榷?PNC 標(biāo)定）。

在此次實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)采用關(guān)鍵量子調(diào)控技術(shù)，將超冷原子快速裝載到蜂窩狀光晶格的高激發(fā)能帶上。并通過對激光光場的高精度快速控制，在光晶格高軌道自由度的量子調(diào)控方面取得突破，成功制備了蜂窩狀光晶格中的高能帶凝聚體。

據(jù)悉，基于這種新型量子模擬平臺，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會自發(fā)形成三重向列序超流體。

除此之外，李曉鵬教授通過場論重整化的理論分析，發(fā)現(xiàn)高能帶凝聚體與傳統(tǒng)的凝聚體存在重要的不同點(diǎn)：高能帶凝聚體中存在顯著的多體相互作用重整化，重整化之后的相互作用導(dǎo)致原子在晶格中傾向于形成空間奇宇稱的軌道極化。

結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中發(fā)展的高軌道量子調(diào)控技術(shù)不僅為量子模擬提供了一個全新的量子模擬平臺，也為復(fù)雜量子材料和非常規(guī)超流體的量子模擬奠定了基礎(chǔ)。

該成果于 2021 年 1 月 21 日在《物理評論快報》上發(fā)表。周小計教授和李曉鵬教授為文章的共同通訊作者，電子學(xué)系博士生（現(xiàn)為博士后）金圣杰為文章第一作者，電子系本科生張文軍（已畢業(yè)）、博士生郭新新和電子系陳徐宗 教授也重點(diǎn)參與了工作。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、和上海市科委的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.035301

責(zé)任編輯：PSY