近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事陳宇翱、姚星燦等在國際上首次實現了一種全新的量子物態——質量不平衡的玻色-費米雙超流體，并在該雙超流體中成功地產生和觀測到玻色-費米量子渦旋晶格。這一實驗發現開辟了超冷原子領域全新的研究方向，為理解復雜宏觀量子現象提供了一種獨特的研究手段。該成果發表在9月27日出版的《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]。《物理評論快報》以編輯推薦（Editors’ Suggestion）的形式報道了這項研究成果，美國物理學會網站Physics Synopsis欄目將該成果作為亮點報道。

　　1937年，前蘇聯物理學家P.Kapitza發現，將液氦-4的溫度冷卻至2.17K以下時，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，一種可與超導媲美的宏觀量子效應。20世紀40年代，物理學家L.Onsager、L.Landau、R.Feynman等人在理論上發現，旋轉超流體宏觀波函數中存在拓撲奇異點，原子會圍繞這些拓撲奇異點做旋轉運動——這就是所謂的量子渦旋。

　　物理學家對超流以及量子渦旋的研究已持續了近一個世紀，并獲得了多項諾貝爾物理學獎。P.Kapitza首次觀測到玻色液體的超流現象，獲得1978年諾貝爾物理學獎；L.Landau提出了超流體的量子理論，解釋并預言了超流體的許多重要性質，獲得1962年諾貝爾物理學獎；D.Lee、D.Osheroff、R.Richardson等人成功地將液氦-3冷卻至2.5mK以下，并首次觀測到了費米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學獎；A.A.Abrikosov通過求解Ginzburg–Landau方程，發現量子渦旋會遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結構；A.Leggett提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費米超流的機理，他們因此分享了2003年諾貝爾物理學獎。

　　自從實現液氦-3費米超流以來，物理學家們就不斷嘗試將具有不同統計性質的兩種液氦混合在一起，以期能實現玻色-費米雙超流體這一全新的量子物態。科學家們認為在這種量子物態中將會存在一種獨特的相互作用，能夠被用來研究和理解超導中的電聲子耦合。令人遺憾的是，由于氦原子之間的相互作用太強，即使將液氦冷卻至100μK以下，仍然無法實現氦-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，已逐漸成為實現并研究超流體最為理想的物理體系。

　　中國科大研究團隊經過多年努力，對超冷原子實驗操控技術進行了全方位的革新，搭建了一套可以同時冷卻操控鋰和鉀原子的世界領先的實驗平臺。通過發展新一代的激光冷卻、高效率磁輸運、光阱陷俘、高分辨成像等核心技術，研究人員最終成功地在一種獨創的“碟片交叉光阱”中首次實現了質量不平衡的玻色-費米雙超流體。在實現玻色-費米雙超流體后，研究團隊迅速把目光投向玻色-費米量子渦旋的研究。他們通過各種努力將各項實驗參數優化到極致，最終在10nK的極低溫下，獲得了高達150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體，為產生和觀測玻色-費米量子渦旋奠定了堅實基礎。研究人員進一步設計了極其精巧的光學裝置，產生了兩束直徑為20μm、可以對稱地圍繞雙超流體轉動的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉起來。利用他們創造性發展的能夠同時對雙組份原子進行高分辨成像的技術，通過精密調節旋轉激光的位置、光強、頻率等參數，最終成功地產生并觀測到了玻色-費米量子渦旋晶格。

    該項研究的預印本于2016年6月在arXiv.org公開后，引起學術界的廣泛關注，獲得了國際同行的高度評價。諾貝爾物理學獎得主W.Ketterle評價其為“一個精彩絕倫的實驗工作”；諾貝爾物理學獎得主A.Leggett認為，這是“極為重要的實驗工作，毫無疑問將激發大量的理論研究”；麻省理工學院教授M.Zwierlein稱其為“超流研究領域一個里程碑式的工作”。《物理評論快報》審稿人認為這是超冷原子研究領域“一個最頂尖的實驗工作”，“超流研究中最具競爭力的實驗工作，為研究質量不平衡的雙超流系統鋪平了道路。”

玻色-費米量子渦旋晶格