三重向列序量子超流体

自然界中除了液体和固体等常规的物质状态以外，还存在介于两者之间的液晶态。液体具有各向同性和空间平移不变性的特征，这两种对称性在液体发生固态相变之后同时失去，而液晶可以形成向列序，即在保持平移不变性的情况下失去各向同性。据此类比，超流体和超固体这两种量子物质状态之间也存在一种超流版本的液晶态。超流体仅破缺相位转动对称性，超固体在此基础上破缺空间转动对称性和平移不变性。而超流版本的液晶态可以在保持空间平移不变性的情况下，破缺空间和相位转动的对称性。这种奇异的超流液晶态尚未在自然界中发现。

在近期的高轨道光晶格实验中，信息科学技术学院电子学系周小计教授团队和复旦大学李晓鹏教授合作，发现了超流版本的液晶态。研究团队在一种蜂窝状的光晶格中，观测到了超冷原子在保持晶格平移不变性的情况下，形成破缺晶格转动对称性的超流体，并将此新型量子物质状态命名为三重向列序超流（Potts-Nematic Superfluid）。该成果以“Evidence of Potts-Nematic Superfluidity in a Hexagonal sp2 Optical Lattice”为题，于2021年1月21日发表在《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett.126, 035301 (2021)】上。周小计和李晓鹏为文章的共同通讯作者，电子学系博士生（现为博士后）金圣杰为文章第一作者，电子学系本科生张文军（已毕业）、博士生郭新新和陈徐宗教授也重点参与了工作。

左图为实验中观测到的三重向列序量子超流体的动量空间分布（蓝色图），以及理论预测的向列序实空间分布（红色图）；右图为600次重复实验得到的三种向列序随机出现的次数的统计分布图（以向列序对比度PNC标定）

实验中一项关键量子调控技术是将超冷原子快速装载到蜂窝状光晶格的高激发能带上。电子学系超冷原子与精密测量实验团队通过对激光光场的高精度快速控制，在光晶格高轨道自由度的量子调控方面取得突破，成功制备了蜂窝状光晶格中的高能带凝聚体。基于这种新型的量子模拟平台，实验发现系统会自发形成三重向列序超流体。同时，李晓鹏通过场论重整化的理论分析，发现高能带凝聚体与传统的凝聚体存在重要的不同点。高能带凝聚体中存在显著的多体相互作用重整化，而重整化之后的相互作用导致原子在晶格中倾向于形成空间奇宇称的轨道极化。由场论描述的这种复杂多体效应是向列序超流形成的微观物理机制。

基于其对称性的特点，向列序超流对设计感知空间各向同性破缺的高灵敏陀螺仪存在潜在的应用价值。实验中发展的高轨道量子调控技术为量子模拟提供了一个全新的量子模拟平台，为复杂量子材料和非常规超流体的量子模拟奠定了基础。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的支持。（文/北京大学）