證實反常量子相，科學家首從莫特絕緣體發現逆流超流體

中國科學院團隊首次透過實驗證明逆流超流體（CSF）特性。研究人員表示，逆流超流體是研究、模擬超冷環境複雜量子系統的重要工具，尤其是探索新的量子相、自旋相關現象。

逆流超流體（counterflow superfluidity，CSF）是一種反常量子相，其中兩個成分（如不同類型的原子或自旋）以相反方向流動，且具有完美相關性。

科學家過去已知這種量子相存在，它實際上是波斯–赫巴德（Bose-Hubbard）模型研究結果的延伸，該模型於 1963 年提出，用於解釋晶格系統中玻色子的行為；其他一些數學模型也曾對 CSF 進行理論化，但到目前為止，由於面臨多種技術挑戰，科學家無法在實驗裝置觀察或識別該階段出現。

為了實現 CSF 相，中國科學技術大學潘建偉、苑震生研究團隊使用具 2 種不同自旋態的超冷銣-87 原子製備一種雙組分系統，以雷射將原子置於晶格位點，從而形成自旋莫特絕緣體，這是一種令人著迷的材料，它理論上應該導電，實際上卻不能，原因是粒子自旋之間強烈相互作用導致電子自由移動。

但在零下 273.15℃ 溫度調整該系統原子之間的相互作用後，研究人員成功將自旋莫特絕緣體從「凍結」狀態轉變為 2 種原子以相反方向流動的狀態，同時保持完美平衡，展現出逆流超流性。

為了分析系統是否真正進入 CSF 階段，研究團隊使用量子氣體顯微鏡觀察晶格內單個原子，測量原子在不同位置（與自旋）的相關性，確認發現 CSF 標準特徵「反配對相關性」，即原子處於相反狀態的存在。

觀察證實，當一個原子朝一個方向移動，另一個處於相反自旋狀態的原子便會朝相反方向移動。此外，系統於整個晶格保持相干性，這是 CSF 相另一個有力指標。

1930 年，超流體的發現促進許多令人興奮的低溫技術發展，如雷射冷卻，科學家現在期待逆流超流體也能為更多突破性的量子應用鋪路。

新論文發表在《自然物理學》（Nature Physics）期刊。

• Quantum breakthrough: China demonstrates counterflow superfluidity in a world-first
• Counterflow superfluidity in a two-component Mott insulator

（首圖僅為示意圖，來源：pixabay）