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      2. 信息學院周小計課題組和合作者發現三重向列序量子超流體

        自然界中除了液體和固體等常規的物質狀態以外,還存在介于兩者之間的液晶態。液體具有各向同性和空間平移不變性的特征,這兩種對稱性在液體發生固態相變之后同時失去,而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之間也存在一種超流版本的液晶態。超流體僅破缺相位轉動對稱性,超固體在此基礎上破缺空間轉動對稱性和平移不變性。而超流版本的液晶態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尚未在自然界中發現。

        在近期的高軌道光晶格實驗中,信息科學技術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,發現了超流版本的液晶態。研究團隊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命名為三重向列序超流(Potts-Nematic Superfluid)。該成果以“Evidence of Potts-Nematic Superfluidity in a Hexagonal sp2 Optical Lattice”為題,于2021年1月21日發表在《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett.126, 035301 (2021)】上。周小計和李曉鵬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,電子學系本科生張文軍(已畢業)、博士生郭新新和陳徐宗教授也重點參與了工作。

        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600次重復實驗得到的三種向列序隨機出現的次數的統計分布圖(以向列序對比度PNC標定)

        實驗中一項關鍵量子調控技術是將超冷原子快速裝載到蜂窩狀光晶格的高激發能帶上。電子學系超冷原子與精密測量實驗團隊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?;谶@種新型的量子模擬平臺,實驗發現系統會自發形成三重向列序超流體。同時,李曉鵬通過場論重整化的理論分析,發現高能帶凝聚體與傳統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,而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。由場論描述的這種復雜多體效應是向列序超流形成的微觀物理機制。

        基于其對稱性的特點,向列序超流對設計感知空間各向同性破缺的高靈敏陀螺儀存在潛在的應用價值。實驗中發展的高軌道量子調控技術為量子模擬提供了一個全新的量子模擬平臺,為復雜量子材料和非常規超流體的量子模擬奠定了基礎。

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

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