中国科大在超冷原子量子模拟研究中取得重要进展

中国科学技术大学的潘剑伟和他的同事陈玉傲、姚兴灿、清华大学的翟辉、中国人民大学的霍奇和张虹在超冷原子的量子模拟方面取得了重要进展。他们首次在玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到极宽的D波势散射共振，并间接证明了D波分子超流体的存在。这一实验发现给超冷原子量子模拟的研究带来了新的机遇和挑战，也为研究以高阶部分波相互作用为主的低体积和多体积量子物理铺平了道路。最近，这项成果以长篇文章《[自然物理学》15，570–576(2019)的形式发表在国际权威学术期刊《自然物理学》上。

粒子间的碰撞散射是一种基本而重要的相互作用。原则上，散射的量子理论可以用来描述宇宙开始时元素的产生和日常生活中的化学反应。根据散射波函数的对称性，我们可以将散射过程分为各向同性S波、各向异性P波和D波。与S波散射相比，以高阶部分波为主导的量子多体系统将表现出更多有趣的现象，如氦3中的P波超流，氧化铜高温超导体中的D波库珀对，以及广泛的生物和化学动力学过程。遗憾的是，由于高阶部分波散射过程的复杂性，理论计算所需的资源大大超过了经典计算的能力，这严重阻碍了我们对相关物理现象的理解。

由于系统的纯度和丰富的操作和检测技术，超冷原子量子模拟为解决这些问题提供了一个全新的工具。例如，利用原子间的S波散射共振，我们可以精确地调节超冷原子间相互作用的强度和形式，从而实现新的量子现象，如玻色超新星、量子烟花和重要的量子态，如费米超流体和超冷分子。然而，由于理论和实验上的困难，更重要的关于高阶部分波共振的研究仍然很少进行，主要存在以下问题:1)量子简并下的超冷原子往往没有足够的动能穿过高阶部分波的离心势垒，因而不能实现强相互作用；2)高阶部分波共振通常非常窄，在现有的实验方法中不能用来精确控制原子间的相互作用。3)共振附近原子团的寿命太短，无法进行有效的研究。

在这项工作中，研究小组首次在玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到了非常宽的D波势共振。他们发现，在近散射共振(强相互作用区)，玻色-爱因斯坦凝聚的寿命仍然高达数百毫秒，这比多体系统的平衡时间要长得多。因此，D波共振同时具有三大要素:超冷、宽共振带宽和长寿命，这为基于D波相互作用的量子模拟研究提供了一个极好的平台。在进一步的研究中，我们发现当扫描磁场以一定的速率通过共振点时，系统实现了原子和D波分子之间的相干转换，并出现了长寿命(几秒量级)的自发集体激发振荡。通过仔细测量集体振荡的频率、振幅、原子数和扫描磁场率之间的关系，研究小组证明了系统中已经存在大量的超冷D波分子。虽然目前仍缺乏直接检测D波分子的技术，但研究人员只能通过拟合集体激发来获得D波分子的数量等信息。他们的初步结果清楚地表明，这些D波分子已经形成了一种全新的量子态——D波分子超流体。因此，这项工作也为进一步研究D波分子超流性奠定了基础。

以上工作得到了中国科学院、科技部、中国自然科学基金和安徽省的支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41567-019-0455-2