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超冷原子研究领域的新突破:中国科大首次在玻色-费米双超流体中观测到量子涡旋晶格
2016-09-30 23:47:05 来源:校新闻中心 作者: 【 】 浏览:1324
  近日,中国科学技术大学微尺度物质国家实验室潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等在国际上首次实现了一种全新的量子物态——质量不平衡的玻色-费米双超流体,并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这一实验发现开辟了超冷原子领域全新的研究方向,为理解复杂宏观量子现象提供了一种独特的研究手段。该成果近日发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理评论快报》以编辑推荐(Editors’ Suggestion)的形式报道了这项重要研究成果,美国物理学会网站Physics Synopsis栏目将该成果作为亮点报道。
 
  1937年,前苏联物理学家P. Kapitza发现,将液氦-4的温度冷却至2.17 K以下时,它能够很快流过0.5 μm宽的玻璃狭缝,他将这种没有粘滞性的流体称之为超流,一种可与超导媲美的宏观量子效应。20世纪40年代,物理学家L. Onsager、L. Landau、R. Feynman等人在理论上发现,旋转超流体宏观波函数中存在拓扑奇异点,原子会围绕这些拓扑奇异点做旋转运动——这就是所谓的量子涡旋。
 
  物理学家对超流以及量子涡旋的研究已持续了近一个世纪,并获得了多项诺贝尔物理学奖。P. Kapitza首次观测到玻色液体的超流现象,获得1978年诺贝尔物理学奖;L. Landau提出了超流体的量子理论,解释并预言了超流体的许多重要性质,获得1962年诺贝尔物理学奖;D. Lee、D. Osheroff、R. Richardson等人成功地将液氦-3冷却至2.5 mK以下,并首次观测到了费米液体的超流性,获得1996年诺贝尔物理学奖;A. A. Abrikosov通过求解Ginzburg–Landau方程,发现量子涡旋会遵循能量最低原则,排列成周期性的晶格结构;A. Leggett提出了一种新的量子理论,揭示了液氦-3费米超流的机理,他们因此分享了2003年诺贝尔物理学奖。
 
  自从实现液氦-3费米超流以来,物理学家们就不断尝试将具有不同统计性质的两种液氦混合在一起,以期能实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态。科学家们认为在这种量子物态中将会存在一种独特的相互作用,能够被用来研究和理解超导中的电声子耦合。令人遗憾的是,由于氦原子之间的相互作用太强,即使将液氦冷却至100 μK以下,仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。与液氦相比,超冷原子具有无与伦比的可控性与纯净性,已逐渐成为实现并研究超流体最为理想的物理体系。
 
  中国科大研究团队经过多年艰苦卓绝的努力,对超冷原子实验操控技术进行了全方位的革新,搭建了一套可以同时冷却操控锂和钾原子的世界领先的实验平台。通过发展新一代的激光冷却、高效率磁输运、光阱陷俘、高分辨成像等核心技术,研究人员最终成功地在一种独创的“碟片交叉光阱”中首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体。在实现玻色-费米双超流体后,研究团队迅速把目光投向玻色-费米量子涡旋的研究。他们通过各种努力将各项实验参数优化到极致,最终在10 nK的极低温下,获得了高达150万锂原子和20万钾原子的双超流体,为产生和观测玻色-费米量子涡旋奠定了坚实基础。研究人员进一步设计了极其精巧的光学装置,产生了两束直径为20 μm、可以对称地围绕双超流体转动的激光,如同搅拌咖啡用的勺子,使得超流体随之旋转起来。利用他们创造性发展的能够同时对双组份原子进行高分辨成像的技术,通过精密调节旋转激光的位置、光强、频率等参数,最终成功地产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶格。
 
玻色-费米量子涡旋晶格
 
  该项研究的预印本于2016年6月在arXiv.org公开后,引起学术界的广泛关注,获得了国际同行的高度评价。诺贝尔物理学奖得主W. Ketterle评价其为“一个精彩绝伦的实验工作”;诺贝尔物理学奖得主A. Leggett爵士认为,这是“极为重要的实验工作,毫无疑问将激发大量的理论研究”;麻省理工大学教授、著名物理学家M. Zwierlein称其为“超流研究领域一个里程碑式的工作”。《物理评论快报》审稿人认为这是超冷原子研究领域“一个最顶尖的实验工作”,“超流研究中最具竞争力的实验工作,为研究质量不平衡的双超流系统铺平了道路。”
 
 
 
发布:topsky
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