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自1970年研究人員發(fā)現(xiàn)He-3超流A相以來，拓?fù)涑黧w和超導(dǎo)體的研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)前沿領(lǐng)域，其新穎的基本性質(zhì)和潛在的應(yīng)用前景激勵(lì)著一代又一代研究人員展開進(jìn)一步探索。深入的理論研究預(yù)測(cè)軌道相互作用可能會(huì)誘導(dǎo)出這種物質(zhì)態(tài)，比如在典型的多軌道超導(dǎo)體Sr2RuO4中，早期實(shí)驗(yàn)報(bào)道了其存在拓?fù)鋚+ip超導(dǎo)的特征現(xiàn)象。然而，進(jìn)一步的研究卻得到了相悖的結(jié)果。在過去的二十年里，隨著冷原子量子模擬研究的崛起，人們也寄希望于通過費(fèi)米原子間p 波 Feshbach共振來實(shí)現(xiàn)原子的p+ip超流。遺憾的是，不同于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(shù)損失和短壽命的挑戰(zhàn)。因此，尋找一種具有內(nèi)稟拓?fù)涑瑢?dǎo)電性或超流性的天然或人造材料依舊是一個(gè)重要的研究課題。

圖1  (a) 六角氮化硼光晶格的勢(shì)能曲線。（b）六角氮化硼光晶格第二條能帶的色散曲線。（c）實(shí)驗(yàn)上用到的能帶反轉(zhuǎn)技術(shù)。（d）光晶格中原子團(tuán)動(dòng)量分布的演化圖。

自2005年起，研究人員對(duì)光晶格中p能帶物理的理論探索始于三篇具有開創(chuàng)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(lǐng)域的重要引領(lǐng)者之一是我校物理系和量子科學(xué)與工程研究院新引進(jìn)的雙聘講席教授劉文勝。2011年，Andreas Hemmerich教授組第一次報(bào)道了實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到二維四方光晶格中的p能帶上軌道超流的證據(jù)，其中銣87原子凝聚在交錯(cuò)手性的px+ipy/px-ipy軌道上。2016年，進(jìn)一步的理論計(jì)算表明該超流體的準(zhǔn)粒子激發(fā)譜中存在著π通量狄拉克玻色子。盡管局域的時(shí)間反演對(duì)稱被破缺了，但它仍然保留了時(shí)間反演附加晶格基矢平移操作的聯(lián)合對(duì)稱性, 這導(dǎo)致了該超流態(tài)的準(zhǔn)粒子激發(fā)不具有拓?fù)涞男再|(zhì) [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(gè)類塞曼能的能量差就可以誘導(dǎo)拓?fù)湎嘧?。但是這對(duì)具有軌道自由度的光晶格中的中性超冷原子來說是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖2 （a）手性隨時(shí)間的演化曲線。（b）不同時(shí)間的手性分布直方圖。（c）沿著水平方向的瞬時(shí)吸收成像，可以看到從10ms到幾百ms的時(shí)間內(nèi)有一串原子沿著重力方向逃逸出勢(shì)阱。

 在這篇新發(fā)表的論文中，實(shí)驗(yàn)上采用了一種與以往不同的研究方法，并且將能帶反轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用到類六角氮化硼光晶格中。令人驚訝的是，僅簡(jiǎn)單地將晶格幾何形狀變化到六角氮化硼晶格就會(huì)導(dǎo)致性質(zhì)顯著差異的超流態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，通過時(shí)間飛行成像技術(shù)探測(cè)到光晶格中的原子在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的演化后，以相同的概率自發(fā)凝聚在第二條布洛赫能帶的兩個(gè)可能的能量最低點(diǎn)（K點(diǎn)）中的一個(gè)上。理論分析指出，這個(gè)狀態(tài)下整個(gè)凝聚體將擁有全局的軌道角動(dòng)量，原子在晶格中將形成局部相位和軌道旋轉(zhuǎn)的自排序模式，類似于玻色-愛因斯坦凝聚體中的超晶格渦旋陣列。該狀態(tài)自發(fā)地在整體上打破了規(guī)范旋轉(zhuǎn)和時(shí)間反演對(duì)稱性。通過進(jìn)一步理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)手性超流的準(zhǔn)粒子激發(fā)的能帶是拓?fù)涞模掖嬖谶吘壖ぐl(fā)。預(yù)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的新型玻色超流態(tài)將表現(xiàn)出雖在概念上不同，但與電子凝聚態(tài)材料中的量子反?；魻栃?yīng)相關(guān)的物理現(xiàn)象。

許志芳課題組成員物理系博士后王小瓊、博士生羅光權(quán)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位，南科大量子科學(xué)與工程研究院為論文第二單位。此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和南方科技大學(xué)物理系高水平光學(xué)平臺(tái)等專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助。南方科技大學(xué)物理系和量子科學(xué)與工程研究院在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中提供了大力支持。

論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03702-0