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自1970年研究人員發(fā)現(xiàn)He-3超流A相以來，拓撲超流體和超導體的研究一直是凝聚態(tài)物理學的一個前沿領域，其新穎的基本性質和潛在的應用前景激勵著一代又一代研究人員展開進一步探索。深入的理論研究預測軌道相互作用可能會誘導出這種物質態(tài)，比如在典型的多軌道超導體Sr2RuO4中，早期實驗報道了其存在拓撲p+ip超導的特征現(xiàn)象。然而，進一步的研究卻得到了相悖的結果。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米原子間p 波 Feshbach共振來實現(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)稟拓撲超導電性或超流性的天然或人造材料依舊是一個重要的研究課題。

圖1  (a) 六角氮化硼光晶格的勢能曲線。（b）六角氮化硼光晶格第二條能帶的色散曲線。（c）實驗上用到的能帶反轉技術。（d）光晶格中原子團動量分布的演化圖。

自2005年起，研究人員對光晶格中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）。該領域的重要引領者之一是我校物理系和量子科學與工程研究院新引進的雙聘講席教授劉文勝。2011年，Andreas Hemmerich教授組第一次報道了實驗中探測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原子凝聚在交錯手性的px+ipy/px-ipy軌道上。2016年，進一步的理論計算表明該超流體的準粒子激發(fā)譜中存在著π通量狄拉克玻色子。盡管局域的時間反演對稱被破缺了，但它仍然保留了時間反演附加晶格基矢平移操作的聯(lián)合對稱性, 這導致了該超流態(tài)的準粒子激發(fā)不具有拓撲的性質 [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類塞曼能的能量差就可以誘導拓撲相變。但是這對具有軌道自由度的光晶格中的中性超冷原子來說是一個相當大的挑戰(zhàn)。

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

 在這篇新發(fā)表的論文中，實驗上采用了一種與以往不同的研究方法，并且將能帶反轉技術應用到類六角氮化硼光晶格中。令人驚訝的是，僅簡單地將晶格幾何形狀變化到六角氮化硼晶格就會導致性質顯著差異的超流態(tài)。在實驗中，通過時間飛行成像技術探測到光晶格中的原子在經(jīng)歷了長時間的演化后，以相同的概率自發(fā)凝聚在第二條布洛赫能帶的兩個可能的能量最低點（K點）中的一個上。理論分析指出，這個狀態(tài)下整個凝聚體將擁有全局的軌道角動量，原子在晶格中將形成局部相位和軌道旋轉的自排序模式，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)范旋轉和時間反演對稱性。通過進一步理論計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)這個手性超流的準粒子激發(fā)的能帶是拓撲的，且存在邊緣激發(fā)。預計這個實驗觀測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嚓P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，南科大量子科學與工程研究院為論文第二單位。此項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點領域研發(fā)計劃、國家自然科學基金和南方科技大學物理系高水平光學平臺等專項經(jīng)費的資助。南方科技大學物理系和量子科學與工程研究院在實驗室建設過程中提供了大力支持。

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