【必威】量子电子学研究所周小计教授课题组在动态相位滑动超流体研究中取得重要进展

超流体的相变研究是物理和材料领域的热点和难点问题之一。超冷原子不仅可对多体相互作用相变进行量子模拟,也是未来量子计算和信息存储的载体。在弱耦合多层XY模型系统中,滑动相位超流体是一种重要的超流机制;这一概念的引入表征了多体系统中的内在相变,例如层状高温超导体、晶体薄膜结构,甚至是脱氧核糖核酸复合体,然而目前尚缺乏明确的实验证据。在理论研究方面,场论分析表明,在热力学平衡体系或量子基态中,滑动超流相通常只发生在极端条件下。

中国科学技术大学教授潘建伟及同事陈帅、邓友金等与北京大学刘雄军、维也纳工业大学、卡尔加里大学的合作者们,在超冷原子拓扑量子体系的实验研究方面取得新进展。他们用量子淬火动力学方法在人工合成的二维自旋轨道耦合超冷原子体系中得到了直接判断体系拓扑的动力学判据,并据此精确测定了体系的拓扑相图。相关研究成果于12月18日在线发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。该成果开创了用非平衡态动力学来研究拓扑量子体系的新方法。

超流相中自然存在的约瑟夫森耦合并不能形成滑动相位超流体,这个态的稳定性依赖于奇异的长程相互作用,在实验实现方面尤为重要。北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所周小计教授、陈徐宗教授课题组,与其合作者、复旦大学物理系李晓鹏教授课题组,在超冷原子系统中,通过多脉冲激光控制,驱动量子系统进入量子非平衡态,发明了一种全新的动力学机制实现滑动相位超流体的方法,从而证明具有鞍形形状的光晶格P轨道能带色散关系对实现相位动态滑动的重要性。实验方面,则通过在一个空间方向上对相位相干性产生抑制,同时保持另一正交方向上的相位相干性不受影响,而使系统可较长时间地处于一个亚稳定的量子动力学态,产生可观测的滑动相位量子超流现象。作为该实验的一项关键技术,周小计课题组创造性地提出一种高保真度、高鲁棒性的快速非绝热装载方法,将超冷原子装载到具有奇宇称的光晶格中的P-轨道能带。

自旋轨道耦合是量子物理学中基本的物理效应,它在拓扑绝缘体、拓扑超导、Majorana费米子等多种拓扑量子物态中扮演了核心角色。由于拓扑的非局域特性,在拓扑相和拓扑态的判断上通常难以找到一个局域的可观测量。近年来,科学家们在超冷原子体系中发展了一系列拓扑探测手段,例如干涉法测量Berry相位、用热原子填充测量能带对称点的自旋分布等,但均未提供拓扑量子态简单直接的判据,并且很多方法受限于温度效应和测量过程中的加热影响,使得精确测量体系拓扑仍然困难重重。

实验中利用冷原子系统在光晶格中高轨道实现复杂的滑动相位超流体,是非常令人兴奋的研究成果。除去动态滑动相位超流体的实验发现,实验结果还显示出,量子多体平衡相研究中所面临的一些挑战可借助光晶格的灵活性与可控性,通过进入动力学非平衡态的方式巧妙实现,这为冷原子对奇异多体物理和相变的量子模拟提供了崭新思路与广泛可能性。

研究小组对2016年实现的二维自旋轨道耦合进行了改进,提出优化的理论方案[Phys.
Rev. A
97,
011605]必威,,同时在实验上构造出高度可控、对称与长寿命的二维自旋轨道耦合玻色气体[Phys.
Rev. Lett.

121,150401]。在此基础上,研究小组利用非平衡态动力学方法在实验上首次直接精确测量了能带拓扑。他们利用量子淬火机制,使体系处于非平衡态,并在二维自旋轨道耦合哈密顿量下进行幺正动力学演化。在演化过程中,他们观察到自旋极化在二维准动量空间上产生了圈状结构,此结构被证实是近期理论提出的拓扑能带反转面的直接证据[Science
Bull.
63, 1385
],进而可以直接判断能带的拓扑性质并得到拓扑陈数。不仅如此,通过实验调节拓扑能带参数,自旋极化的圈状结构的尺寸也随之变化,由此可以精确标定出拓扑非平庸区域的边界,测定体系的拓扑相图。相对于一般的平衡态方法,非平衡态动力学方法对原子温度以及高能带的影响不敏感,具有很强的普适性,也可以推广到高维的多种拓扑体系中来简单直接精确地测量体系拓扑。

2018年12月28日,上述工作以题为《在P-能带的玻色子中观察到动态滑动相位超流体》的论文在线发表于《物理评论快报》;这是首次在冷原子物理实验中观测到早期理论所预言的动态滑动相位超流体。信息学院2015级博士研究生牛临潇为第一作者,周小计和李晓鹏为共同通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。

该工作首次在实验上验证了非平衡态动力学方法在探测体系拓扑方面所具有的优越性,为拓扑量子体系的研究提供了新思路。该研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和中科院-阿里巴巴量子计算实验室等支持。

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图1:二维准动量空间上的自旋极化随时间的演化以及自旋极化呈现的圈状

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图2:实验上对拓扑相图中拓扑边界的精确测定

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