基于新型量子模擬平臺(tái) 北大團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)三重向列序量子超流體

1月28日消息（余予）來(lái)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(jì)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(cè)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(dòng)對(duì)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(lèi)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(shí)具備超流體和超固體的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)的對(duì)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(cè)到的三重向列序量子超流體的動(dòng)量空間分布（藍(lán)色圖），以及理論預(yù)測(cè)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(jì)分布圖（以向列序?qū)Ρ榷萈NC標(biāo)定）。

在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)對(duì)激光光場(chǎng)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(tái)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會(huì)自發(fā)形成三重向列序超流體。

除此之外，李曉鵬教授通過(guò)場(chǎng)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(gè)全新的量子模擬平臺(tái)，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(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。周小計(jì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、和上海市科委的支持。

論文鏈接：http://www.picoinsstore.com/uploadfile/2021/0128/20210128161011366G.035301

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