來自北京大學信息科學技術學院的消息顯示，在近期的高軌道光晶格實驗中，學院電子學系周小計教授團隊和復旦大學李曉鵬教授合作，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動對稱性的超流體，并將此新型量子物質狀態(tài)命名為三重向列序超流（Potts-Nematic Superfluid）。

據了解，自然界中除了液體和固體等常規(guī)的物質狀態(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。

據此類比，超流體和超固體這兩種量子物質狀態(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。

▲左圖為實驗中觀測到的三重向列序量子超流體的動量空間分布（藍色圖），以及理論預測的向列序實空間分布（紅色圖）；右圖為六百次重復實驗得到的三種向列序隨機出現的次數的統(tǒng)計分布圖（以向列序對比度 PNC 標定）。

在此次實驗過程中，研究團隊采用關鍵量子調控技術，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。

據悉，基于這種新型量子模擬平臺，實驗發(fā)現系統(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)現高能帶凝聚體與傳統(tǒng)的凝聚體存在重要的不同點：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致原子在晶格中傾向于形成空間奇宇稱的軌道極化。

結果表明，實驗中發(fā)展的高軌道量子調控技術不僅為量子模擬提供了一個全新的量子模擬平臺，也為復雜量子材料和非常規(guī)超流體的量子模擬奠定了基礎。

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，電子學系博士生（現為博士后）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 教授也重點參與了工作。

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

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

責任編輯：PSY