中國科大等預言存在一種新奇配對超流相

　　中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在超冷費米氣體中的拓撲相變方面研究取得重要進展：該實驗室鄒旭波教授與易為教授分別同他們的合作者在理論上預言并刻畫了一種同時具有非零配對質心動量及非平庸拓撲性質的新奇配對超流相。兩項研究成果分別在線發表于10月28日刊出的同一期《自然·通訊》上。

　　在費米系統中，兩個粒子通過配對產生超導或超流的性質，是一種典型的量子強關聯現象。自從1911年實驗上發現超導體之后，對該現象的研究持續了一個多世紀，并涵蓋了包括凝聚態物理、粒子物理和天體物理等多個分支。在上世紀60年代，Fulde和Ferrell，以及Larkin和Ovchinnikov分別提出有可能在磁化的超導材料中實現質心動量不為零的新穎配對態，即所謂FFLO態。由于在傳統的固態材料中觀測FFLO態遇到了種種困難，關于這一新奇超流態的理論預言在固態系統中一直沒有得到實驗驗證。近二十年來，超冷原子氣體實驗技術的發展為研究費米系統中的新奇配對超流相提供了嶄新的平臺。2010年，美國萊斯大學的研究小組在準一維自旋極化超冷費米氣體中第一次觀測到了FFLO態存在的跡象，標志著基于超冷費米氣體的量子模擬進入新里程，引起了人們極大興趣。另一方面，當前對固態體系里量子自旋霍爾效應及與其相關拓撲相的研究方興未艾。人們在此基礎上提出在二維費米體系中可能出現拓撲超流態，其渦旋激發的中心存在受拓撲保護的Majorana費米子。Majorana費米子是一類特殊的粒子：它是自己本身的反粒子，其獨特的統計性質使Majorana費米子有可能為實現受拓撲保護的普適量子計算提供寶貴的資源。尋找Majorana費米子在基本粒子物理和暗物質的研究中也具有重要意義。由于Majorana費米子沒有電荷，也沒有自旋，因此在自然界很難被捕捉到，在實驗室中經多年努力也尚未能觀察到。若能在冷原子氣體中得以實現，其意義十分重大。因此如何在冷原子氣體中實現這樣的拓撲超流態自然也成為備受關注的課題。

　　該實驗室鄒旭波研究組與美國德克薩斯大學達拉斯分校張傳偉、香港中文大學龔明協作，致力于研究冷原子氣體中超導態的拓撲相變。他們最近的研究成果發現：通過在超冷費米原子體系中同時引入自旋軌道耦合效應和磁場，可以在較大觀測范圍內找到有限動量配對的超導態。通過研究自旋軌道耦合效應對Berry相位的影響，聯合研究小組在理論計算中發現他們所找到這種有限動量配對的超導態具有拓撲性質，并找到了其可能存在的費米點，這為在超冷原子氣體中實驗探測以準粒子形式存在的馬約拉納費米子提供了一個新方案。

　　該實驗室易為研究組與中國人民大學的張威副教授協作，發現在二維費米氣體中可以通過引入Rashba類型的自旋軌道耦合和等效磁場實現拓撲非平庸的FFLO態。在這一體系中，自旋軌道耦合會引起自旋混合，而等效磁場會引起拓撲性質的變化和手征對稱性的破缺。這兩者結合，會誘導出多種配對可能性的競爭。易為和張威系統描繪了該系統的相圖，證明了FFLO配對的穩定性，并刻畫了不同FFLO態的拓撲性質。他們同時討論了在超冷費米氣體中制備和探測這一新奇拓撲超流相的方法。這為深入理解費米體系中的配對機理和實現新穎的配對超流態提供了支持。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金委、中科院和科技部的支持。