南方科技大学最新Nature!

2021年8月11日,南方科技大学物理系副教授、量子科学与工程研究院创始研究员许志芳领导的团队与南科大量子科学与工程研究院和美国匹兹堡大学教授刘文胜以及德国汉堡大学教授Andreas Hemmerich合作,在国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)发表了题为“Evidence for an atomic chiral superfluid with topological excitations”的研究论文。许志芳团队在实验室中首次观测到类六角氮化硼光晶格上由相互作用诱导的具有拓扑准粒子激发的全局原子手性超流。

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自1970年研究人员发现He-3超流A相以来,拓扑超流体和超导体的研究一直是凝聚态物理学的一个前沿领域,其新颖的基本性质和潜在的应用前景激励着一代又一代研究人员展开进一步探索。深入的理论研究预测轨道相互作用可能会诱导出这种物质态,比如在典型的多轨道超导体Sr2RuO4中,早期实验报道了其存在拓扑p+ip超导的特征现象。然而,进一步的研究却得到了相悖的结果。在过去的二十年里,随着冷原子量子模拟研究的崛起,人们也寄希望于通过费米原子间p 波 Feshbach共振来实现原子的p+ip超流。遗憾的是,不同于s波Feshbach共振,p波共振下的量子气体面临着需要克服粒子数损失和短寿命的挑战。因此,寻找一种具有内禀拓扑超导电性或超流性的天然或人造材料依旧是一个重要的研究课题。

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图1 (a) 六角氮化硼光晶格的势能曲线。(b)六角氮化硼光晶格第二条能带的色散曲线。(c)实验上用到的能带反转技术。(d)光晶格中原子团动量分布的演化图。

自2005年起,研究人员对光晶格中p能带物理的理论探索始于三篇具有开创性的论文:Andreas Isacsson 和 Steven Girvin(Phys. Rev. A 2005)、Anatoly Kuklov(Phys. Rev. Lett. 2006)以及W. Vincent Liu(刘文胜)和Congjun Wu(吴从军)(Phys. Rev. A 2006)。该领域的重要引领者之一是我校物理系和量子科学与工程研究院新引进的双聘讲席教授刘文胜。2011年,Andreas Hemmerich教授组第一次报道了实验中探测到二维四方光晶格中的p能带上轨道超流的证据,其中铷87原子凝聚在交错手性的px+ipy/px-ipy轨道上。2016年,进一步的理论计算表明该超流体的准粒子激发谱中存在着π通量狄拉克玻色子。尽管局域的时间反演对称被破缺了,但它仍然保留了时间反演附加晶格基矢平移操作的联合对称性, 这导致了该超流态的准粒子激发不具有拓扑的性质 [Z.-F. Xu, L. You, A. Hemmerich, and W. V. Liu, Phys. Rev. Lett. 117, 085301 (2016)]。从理论上看,如果能在px+ipy和px-ipy两种轨道分量上施加上一个类塞曼能的能量差就可以诱导拓扑相变。但是这对具有轨道自由度的光晶格中的中性超冷原子来说是一个相当大的挑战。

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图2 (a)手性随时间的演化曲线。(b)不同时间的手性分布直方图。(c)沿着水平方向的瞬时吸收成像,可以看到从10ms到几百ms的时间内有一串原子沿着重力方向逃逸出势阱。

在这篇新发表的论文中,实验上采用了一种与以往不同的研究方法,并且将能带反转技术应用到类六角氮化硼光晶格中。令人惊讶的是,仅简单地将晶格几何形状变化到六角氮化硼晶格就会导致性质显著差异的超流态。在实验中,通过时间飞行成像技术探测到光晶格中的原子在经历了长时间的演化后,以相同的概率自发凝聚在第二条布洛赫能带的两个可能的能量最低点(K点)中的一个上。理论分析指出,这个状态下整个凝聚体将拥有全局的轨道角动量,原子在晶格中将形成局部相位和轨道旋转的自排序模式,类似于玻色-爱因斯坦凝聚体中的超晶格涡旋阵列。该状态自发地在整体上打破了规范旋转和时间反演对称性。通过进一步理论计算,研究团队发现这个手性超流的准粒子激发的能带是拓扑的,且存在边缘激发。预计这个实验观测到的新型玻色超流态将表现出虽在概念上不同,但与电子凝聚态材料中的量子反常霍尔效应相关的物理现象。

许志芳课题组成员物理系博士后王小琼、博士生罗光权为本论文的第一作者。许志芳、刘文胜和Andreas Hemmerich为论文共同通讯作者。南科大物理系是论文第一单位,南科大量子科学与工程研究院为论文第二单位。此项研究工作得到了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和南方科技大学物理系高水平光学平台等专项经费的资助。南方科技大学物理系和量子科学与工程研究院在实验室建设过程中提供了大力支持。

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