林志博士及其合作者在物理学顶级刊物《Physical Review Letters》上发表论文

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由于超冷原子系统参量具有精确的可控性，它已成为多体量子模拟的理想平台之一。当前，随着量子模拟研究的深入，人们聚焦于在此人工体系探索新奇的量子物态。由于 Floquet设计方案便于构造新型相互作用，促使其成为量子多体模拟领域中重要的调控手段。然而其目前仅可调控“单粒子跃迁过程”的相互作用，限制了其应用范围。
       对于玻色体系中是否有类似于费米体系中的配对超流态（BCS态）这一问题很早就引起了人们的研究兴趣。在玻色体系中，可能存在的配对超流态有两种类型，即异种粒子之间的配对超流态和同种粒子之间的配对超流态（分子超流态）。异种粒子之间的配对超流态被预测可以存在于双分量玻色体系中。分子超流态则被预测可以存在于三种不同类型的单分量玻色体系中，但是由于各种原因十多年过去了其并没有被实验直接观测到。因此，在理论上我们急需新的方案，如在双分量玻色体系中设计一个易于实验实现的方案，来探寻这种新奇的分子超流态。
       与此同时，在双分量玻色体系中，大家主要的研究精力都集中在探寻新奇的超流态，而对于新奇的莫特绝缘体态的研究还非常缺乏。在双分量玻色体系中，当前发现的莫特绝缘体态是普通双分量莫特绝缘体态，即保持每个格点上总粒子数是整数，并且各分量的粒子数也是整数的莫特绝缘体态。普通的在位相互作用不会导致新奇的莫特绝缘体态的出现，要想得到新的莫特绝缘体态，需要在不同组分的粒子之间引入比较奇异的相互作用。因此，具有新奇相互作用的双分量玻色体系，为人们在玻色体系中实现分子超流态和新型莫特绝缘体态，提供了一条可能的途径。

图1：一维周期性驱动的双分量玻色体系可以映射到具有人工配对跃迁相互作用耦合的双自旋链系统。

       近日，我校物理与材料科学学院林志博士和复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室陈焱课题组，通过Floquet 设计研究光晶格中双分量超冷原子体系，构造出可以看成“两粒子跃迁过程”的新型两体相互作用，即在体系的“人工维度”上引入新奇的人工配对跃迁相互作用 (图1)，用于研究传统凝聚态体系中难以实现的新奇量子多体效应。当前人们主要研究人工维度上的人工规范势，对于更一般的相互作用——人工配对跃迁相互作用还没被研究过。林志博士和陈焱教授课题组发现该奇异的相互作用导致了体系中会出现两种新奇的量子物质态，即分子超流态和非整数莫特绝缘体态。这里的非整数莫特绝缘体态作为一种新奇的量子莫特绝缘体态被首次揭示，其特性是：保持每个格点上总粒子数是整数，而各自分量的粒子数是非整数的莫特绝缘体态(图2)。 12月8日，相关成果以《人工维度上具有配对跃迁相互作用的双分量玻色体系中的新奇量子态》（“Novel quantum phases of two-component bosons with pair hopping in synthetic dimension”）为题在线发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 125, 245301 (2020)]。

图2：在简谐势囚禁的晶格体系中，当跃迁项为零时，非整数莫特绝缘体态和普通双分量莫特绝缘体态在实空间的粒子数分布示意图。(a) [(b)] 行依次展现的是非整数莫特绝缘体态（双分量莫特绝缘体态）中的总粒子，自旋向下的粒子数，自旋向上的粒子数的分布的函数。为了便于比较三种分布函数的相对大小，我们从“蛋糕”结构中切出的一块呈现在最后一列中。这两个态的区别体现在自旋分量的分布函数上。为了定性的区分这两种态，在保持态的特性正确的前提下，分布函数具体数值是随意选取的。
        审稿人高度赞扬了该项工作：“the manuscript opens a novel research area to investigate the consequences of pair hopping in optical lattices. This represents a substantial progress in the research field of ultracold quantum gases, which will certainly instigate further theoretical and, in particular, experimental studies. Both the proposed concept and the obtained results are novel and of interest for a general audience.”（该项工作开辟了一个研究光晶格体系中由配对跃迁相互作所导致的新结果的新颖研究领域。该项研究代表了超冷量子气体研究领域中的实质性进展，其毫无疑问将会促进进一步的理论研究，尤其将会促进进一步实验研究。该项研究不论是设计理念还是得到的结果都非常新颖，并能引起广泛的研究兴趣。）
       该研究工作的合作团队还包括刘晨容博士（复旦大学物理系2020级博士毕业生）。该工作获得了复旦大学物理系，应用表面物理国家重点实验室，国家重点研发计划，科技部重点研发计划项目、杰出青年基金、青年科学基金项目和理论物理专项项目，安徽省青年基金项目，安徽大学博士启动基金和应用表面物理国家重点实验室开放基金项目的支持。安徽大学林志博士为论文第一作者和共同通讯作者，复旦大学物理系陈焱教授为论文共同通讯作者。
       论文链接： https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.245301


       文章来源：安徽大学
       林志，安徽大学。复旦大学博士、于15年（2015.10-2016.02）和17年（2017.09-2018.07）分别在Central for Quantum and Optical Science, Swinburne University of Technology, Melbourne, Australia和香港大学交流访问。本人对于超冷原子系统中量子相变的研究，拓扑态的量子模拟，以及超冷原子系统中的各种调控手段都有长足的了解，并且在超冷原子领域完了第一（共同第一）/通信（共同通信）文章9篇，其中第一作者兼通信作者3篇[Frontiers of Physics 2篇，Physics Letters A 1篇]，第一作者 Physical Review A 3篇，共同第一作者 Physical Review Research 1篇, 共同通信 Chinese Physics B 亮点文章1篇,  Physical Review A 1篇。