2021年8月11日，南方科技大學物理系副教授、量子科學與工程研究院創始研究員許志芳領導的團隊與南科大量子科學與工程研究院和美國匹茲堡大學教授劉文勝以及德國漢堡大學教授Andreas Hemmerich合作，在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）發表了題為“Evidence for an atomic chiral superfluid with topological excitations”的研究論文。許志芳團隊在實驗室中首次觀測到類六角氮化硼光晶格上由相互作用誘導的具有拓撲准粒子激發的全域原子手性超流。
自1970年研究人員發現He-3超流A相以來，拓撲超流體和超導體的研究一直是凝聚態物理學的一個前沿領域，其新穎的基本性質和潜在的應用前景激勵著一代又一代研究人員展開進一步探索。深入的理論研究預測軌道相互作用可能會誘匯出這種物質態，比如在典型的多軌道超導體Sr2RuO4中，早期實驗報導了其存在拓撲p+ip超導的特徵現象。然而，進一步的研究卻得到了相悖的結果。在過去的二十年裏，隨著冷原子量子類比研究的崛起，人們也寄希望於通過費米原子間p波Feshbach共振來實現原子的p+ip超流。遺憾的是，不同於s波Feshbach共振，p波共振下的量子氣體面臨著需要克服粒子數損失和短壽命的挑戰。囙此，尋找一種具有內禀拓撲超導電性或超流性的天然或人造資料依舊是一個重要的研究課題。
圖1（a）六角氮化硼光晶格的勢能曲線。（b）六角氮化硼光晶格第二條能帶的色散曲線。（c）實驗上用到的能帶反轉科技。（d）光晶格中原子團動量分佈的演化圖。
自2005年起，研究人員對光晶格中p能帶物理的理論探索始於三篇具有開創性的論文：Andreas Isacsson和Steven Girvin（Phys. Rev. A 2005）、Anatoly Kuklov（Phys. Rev. Lett. 2006）以及W. Vincent Liu（劉文勝）和Congjun Wu（吳從軍）（Phys. Rev. A 2006）。該領域的重要引領者之一是我校物理系和量子科學與工程研究院新引進的雙聘講席教授劉文勝。2011年，Andreas Hemmerich教授組第一次報導了實驗中探測到二維四方光晶格中的p能帶上軌道超流的證據，其中銣87原子凝聚在交錯手性的px+ipy/px-ipy軌道上。2016年，進一步的理論計算表明該超流體的准粒子激發譜中存在著π通量狄拉克玻色子。儘管局域的時間反演對稱被破缺了，但它仍然保留了時間反演附加晶格基矢平移操作的聯合對稱性，這導致了該超流態的准粒子激發不具有拓撲的性質[Z.-F. Xu，L. You，A. Hemmerich，and W. V. Liu，Phys. Rev. Lett.117，085301（2016）]。從理論上看，如果能在px+ipy和px-ipy兩種軌道分量上施加上一個類塞曼能的能量差就可以誘導拓撲相變。但是這對具有軌道自由度的光晶格中的中性超冷原子來說是一個相當大的挑戰。
圖2（a）手性隨時間的演化曲線。（b）不同時間的手性分佈長條圖。（c）沿著水准方向的暫態吸收成像，可以看到從10ms到幾百ms的時間內有一串原子沿著重力方向逃逸出勢阱。
在這篇新發表的論文中，實驗上採用了一種與以往不同的研究方法，並且將能帶反轉技術應用到類六角氮化硼光晶格中。令人驚訝的是，僅簡單地將晶格幾何形狀變化到六角氮化硼晶格就會導致性質顯著差异的超流態。在實驗中，通過時間飛行成像科技探測到光晶格中的原子在經歷了長時間的演化後，以相同的概率自發凝聚在第二條布洛赫能帶的兩個可能的能量最低點（K點）中的一個上。理論分析指出，這個狀態下整個凝聚體將擁有全域的軌道角動量，原子在晶格中將形成局部相位和軌道旋轉的自排序模式，類似於玻色-愛因斯坦凝聚體中的超晶格渦旋陣列。該狀態自發地在整體上打破了規範旋轉和時間反演對稱性。通過進一步理論計算，研究團隊發現這個手性超流的准粒子激發的能帶是拓撲的，且存在邊緣激發。預計這個實驗觀測到的新型玻色超流態將表現出雖在概念上不同，但與電子凝態資料中的量子反常霍爾效應相關的物理現象。
許志芳課題組成員物理系博士後王小瓊、博士生羅光權為本論文的第一作者。許志芳、劉文勝和Andreas Hemmerich為論文共同通訊作者。南科大物理系是論文第一單比特，南科大量子科學與工程研究院為論文第二組織。此項研究工作得到了國家重點研發計畫、廣東省重點領域研發計畫、國家自然科學基金和南方科技大學物理系高水准光學平臺等專項經費的資助。南方科技大學物理系和量子科學與工程研究院在實驗室建設過程中提供了大力支持。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03702-0
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