近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陳宇翱、姚星燦等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了一種全新的量子物態(tài)——質(zhì)量不平衡的玻色-費(fèi)米雙超流體，并在該雙超流體中成功地產(chǎn)生和觀測(cè)到玻色-費(fèi)米量子渦旋晶格。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開辟了超冷原子領(lǐng)域全新的研究方向，為理解復(fù)雜宏觀量子現(xiàn)象提供了一種獨(dú)特的研究手段。該成果發(fā)表在9月27日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理評(píng)論快報(bào)》以編輯推薦（Editors’ Suggestion）的形式報(bào)道了這項(xiàng)研究成果，美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics Synopsis欄目將該成果作為亮點(diǎn)報(bào)道。

　　1937年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家P.Kapitza發(fā)現(xiàn)，將液氦-4的溫度冷卻至2.17K以下時(shí)，它能夠很快流過0.5μm寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，一種可與超導(dǎo)媲美的宏觀量子效應(yīng)。20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家L.Onsager、L.Landau、R.Feynman等人在理論上發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超流體宏觀波函數(shù)中存在拓?fù)淦娈慄c(diǎn)，原子會(huì)圍繞這些拓?fù)淦娈慄c(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)——這就是所謂的量子渦旋。

　　物理學(xué)家對(duì)超流以及量子渦旋的研究已持續(xù)了近一個(gè)世紀(jì)，并獲得了多項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。P.Kapitza首次觀測(cè)到玻色液體的超流現(xiàn)象，獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；L.Landau提出了超流體的量子理論，解釋并預(yù)言了超流體的許多重要性質(zhì)，獲得1962年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；D.Lee、D.Osheroff、R.Richardson等人成功地將液氦-3冷卻至2.5mK以下，并首次觀測(cè)到了費(fèi)米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；A.A.Abrikosov通過求解Ginzburg–Landau方程，發(fā)現(xiàn)量子渦旋會(huì)遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結(jié)構(gòu)；A.Leggett提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費(fèi)米超流的機(jī)理，他們因此分享了2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　自從實(shí)現(xiàn)液氦-3費(fèi)米超流以來，物理學(xué)家們就不斷嘗試將具有不同統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的兩種液氦混合在一起，以期能實(shí)現(xiàn)玻色-費(fèi)米雙超流體這一全新的量子物態(tài)。科學(xué)家們認(rèn)為在這種量子物態(tài)中將會(huì)存在一種獨(dú)特的相互作用，能夠被用來研究和理解超導(dǎo)中的電聲子耦合。令人遺憾的是，由于氦原子之間的相互作用太強(qiáng)，即使將液氦冷卻至100μK以下，仍然無法實(shí)現(xiàn)氦-3和氦-4的雙超流。與液氦相比，超冷原子具有無與倫比的可控性與純凈性，已逐漸成為實(shí)現(xiàn)并研究超流體最為理想的物理體系。

　　中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年努力，對(duì)超冷原子實(shí)驗(yàn)操控技術(shù)進(jìn)行了全方位的革新，搭建了一套可以同時(shí)冷卻操控鋰和鉀原子的世界領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過發(fā)展新一代的激光冷卻、高效率磁輸運(yùn)、光阱陷俘、高分辨成像等核心技術(shù)，研究人員最終成功地在一種獨(dú)創(chuàng)的“碟片交叉光阱”中首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量不平衡的玻色-費(fèi)米雙超流體。在實(shí)現(xiàn)玻色-費(fèi)米雙超流體后，研究團(tuán)隊(duì)迅速把目光投向玻色-費(fèi)米量子渦旋的研究。他們通過各種努力將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化到極致，最終在10nK的極低溫下，獲得了高達(dá)150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體，為產(chǎn)生和觀測(cè)玻色-費(fèi)米量子渦旋奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了極其精巧的光學(xué)裝置，產(chǎn)生了兩束直徑為20μm、可以對(duì)稱地圍繞雙超流體轉(zhuǎn)動(dòng)的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉(zhuǎn)起來。利用他們創(chuàng)造性發(fā)展的能夠同時(shí)對(duì)雙組份原子進(jìn)行高分辨成像的技術(shù)，通過精密調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)激光的位置、光強(qiáng)、頻率等參數(shù)，最終成功地產(chǎn)生并觀測(cè)到了玻色-費(fèi)米量子渦旋晶格。

    該項(xiàng)研究的預(yù)印本于2016年6月在arXiv.org公開后，引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，獲得了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主W.Ketterle評(píng)價(jià)其為“一個(gè)精彩絕倫的實(shí)驗(yàn)工作”；諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主A.Leggett認(rèn)為，這是“極為重要的實(shí)驗(yàn)工作，毫無疑問將激發(fā)大量的理論研究”；麻省理工學(xué)院教授M.Zwierlein稱其為“超流研究領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的工作”。《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人認(rèn)為這是超冷原子研究領(lǐng)域“一個(gè)最頂尖的實(shí)驗(yàn)工作”，“超流研究中最具競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)驗(yàn)工作，為研究質(zhì)量不平衡的雙超流系統(tǒng)鋪平了道路。”

玻色-費(fèi)米量子渦旋晶格