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中國科大在超冷原子量子模擬研究中取得重要進展

時間:2019-06-10 18:45:54 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、姚星燦與清華大學翟薈、人民大學齊燃、張芃等組成的研究團隊在超冷原子量子模擬研究中取得了重要進展:他們首次在玻色-愛因斯坦凝聚體中觀測到了極寬的d波勢形散射共振,并間接證明了d波分子超流的存在。這一實驗發現為超冷原子量子模擬研究帶來了全新的機遇和挑戰,同時也為研究高階分波相互作用主導的少體及多體量子物理鋪平了道路。近期,該成果以長文的形式發表在國際權威學術期刊《自然·物理》(Nature Physics)上[Nature Physics 15, 570–576 (2019)]。


  粒子間的碰撞散射是一種基礎而又重要的相互作用,無論是宇宙誕生之初的元素產生,還是日常生活中的化學反應,原則上都可以用散射的量子理論來描述。根據散射波函數的對稱性,我們可以將散射過程分為各向同性的s波以及各向異性的p波、d波等高階分波。與s波散射相比,由高階分波主導的量子多體系統會展現出更為豐富有趣的現象,比如氦3中的p波超流,銅氧化物高溫超導體中的d波庫珀對,以及廣泛存在的各種生物、化學等動力學過程。遺憾的是,由于高階分波的散射過程過于復雜,理論計算所需要的資源大大超過了經典計算的能力,嚴重阻礙了我們對相關物理現象的理解。


  得益于系統的純凈性以及豐富的操控與探測技術,超冷原子量子模擬為解決這些難題提供了全新的工具。例如,利用原子之間的s波散射共振,我們可以精密地調節超冷原子之間的相互作用強度與形式,從而實現玻色超新星,量子煙花等新奇的量子現象以及費米超流和超冷分子等重要的量子物態。然而,由于理論和實驗層面上的困難,更重要的高階分波共振的研究目前仍少有開展,其中主要存在著如下幾個難題:1)量子簡并下的超冷原子往往沒有足夠的動能穿越高階分波的離心勢壘,從而無法實現強的相互作用;2)高階分波共振通常都極窄,現有實驗手段無法利用它精確的控制原子之間相互作用;3)原子團在共振附近的壽命很短,無法開展有效研究。


  在該項工作中,研究團隊首次在玻色-愛因斯坦凝聚體中觀測到了一個極寬的d波勢形共振。他們發現,在散射共振附近(強相互作用區),玻色愛因斯坦凝聚體的壽命仍高達數百毫秒,遠遠大于多體系統的平衡時間。因此,該d波共振同時具備超冷、寬共振帶寬、長壽命三大要素,為基于d波相互作用的量子模擬研究提供了一個絕佳的平臺。在進一步的研究中發現,當掃描磁場以一定速率穿過共振點時,系統實現了原子和d波分子之間的相干轉化,自發出現了長壽命(秒量級)的集體激發振蕩。通過細致的測量該集體振蕩的頻率、振幅、原子數目與掃描磁場速率的關系,研究團隊證明了系統內部已經存在大量的超冷d波分子。雖然目前還缺乏對該d波分子進行直接探測的技術,研究人員僅能通過對集體激發的擬合來得到d波分子的數目等信息,他們的初步結果明確表明這些d波分子已經形成了一種全新的量子物態——d波分子超流。因此,該工作也為未來研究d波分子超流奠定了基礎。


  上述工作得到了中科院、科技部、自然科學基金委和安徽省的支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41567-019-0455-2


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