近日，量子研究院王小琼副研究员、物理系许志芳副教授课题组与德国汉堡大学教授Andreas Hemmerich、西湖大学教授吴从军以及中国科学院物理研究所特聘研究员李自翔合作，在光晶格轨道物理的研究中取得重要进展。研究团队在实验上首次观测到三角光晶格上由相互作用诱导的破缺旋转对称性的p轨道玻色超流，其中存在奇异的量子条纹序和环路粒子流。相关成果以“Evidence for Quantum Stripe Ordering in a Triangular Optical Lattice”为题发表在学术期刊Physical Review Letters上。

理解高温超导、铁基超导、镍基超导等强关联量子物理是凝聚态物理领域的一项重大挑战。这些关联量子材料的一个突出特征是在电子结构中出现破缺不同对称性的电子交织序，而这些交织序产生的微观机制迄今为止仍不为人知，揭示它们的基本物理特性需要对系统参数进行精确调整，并通过适当的方法来观察和区分不同的序。由于固态量子材料的复杂性，这是一项非常艰巨的任务。相较之下，超冷原子系统作为一个新的体系，可以展现出新的玻色量子物态。尽管超冷原子系统在微观机制上和凝聚态固体体系非常不同，但它展示出对称性相似的交织序，这充分说明了物理现象在各个能量尺度上的统一性。光晶格提供了一种强大的、具有轨道自由度的量子模拟工具，这种系统在量子统计、晶格几何结构、维度和相互作用强度等广泛的物理特性方面具有高精度的调控能力。因此，超冷原子体系可被视为一个独特的平台，可以用于探索新奇量子物态，包括向列序、环路粒子流、配对密度波以及条纹序等序的交织。

图一 (a)三角光晶格的晶格势能。(b)三角光晶格第二条能带和第三条能带的单粒子能谱。(c)一种简并基态的实空间波函数示意图。(d)基态对应的粒子流。

蓝色箭头表示最近邻格点间的粒子流。

在此次研究中，研究团队通过实验采用了第二套辅助三角光晶格和能带反转技术，成功将玻色原子装载到三角光晶格的p轨道上，并实现了玻色-爱因斯坦凝聚。通过持续的主动制冷，凝聚体的相干时间得到了显著延长，使系统接近亚稳的p轨道基态。研究人员通过精细调节三个方向的激光束强度，可以连续调控能量的不平衡程度，而时间飞行成像技术则揭示了相应的量子相变信息。研究人员还特别关注了激光束强度在三个方向相等的情况，在这种情况下，p轨道单粒子能带具有三个简并的能量最低点（M点）。由于相互作用的影响，经过长时间的耗散动力学演化，凝聚的原子倾向于聚集在这三个M点中的两个上（见图二）。通过详细分析表明，这个状态自发地破坏了晶格的三重旋转对称性，导致出现奇异的量子条纹序和环路粒子流。

图二 (a)实验观测到的末态的统计分布。(b) 在(a)图中所示数据的核密度估计。(c) 在 (b)图所示的核密度分布中，接近三个局部最大值的原子团的动量分布。

这次在三角光晶格中实验观测到的新奇p轨道玻色-爱因斯坦凝聚直接证实了吴从军等人在2006年的理论预言【PRL 97, 190406 (2006)】，还提供了在极低温度下自发对称性破缺和交织序形成的令人信服的证据。这一发现揭示了量子材料中的复杂行为，深化了我们对其基本物理的理解。此外，它为某些电子凝聚态系统中的交织序量子模拟提供了新的实验手段，为理解关联量子材料的基本物理提供了有力支持。

量子研究院副研究员王小琼、物理系博士研究生罗光权为本论文第一作者。许志芳、Andreas Hemmerich为论文共同通讯作者。南科大为论文第一单位。此项研究工作得到了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和南方科技大学物理系高水平光学平台等专项经费的资助。南方科技大学物理系和量子研究院在实验室建设过程中提供了大力支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.226001