超流体的相变研究是物理和材料领域的热点和难点问题之一。超冷原子不仅可对多体相互作用相变进行量子模拟，也是未来量子计算和信息存储的载体。在弱耦合多层XY模型系统中，滑动相位超流体是一种重要的超流机制；这一概念的引入表征了多体系统中的内在相变，例如层状高温超导体、晶体薄膜结构，甚至是脱氧核糖核酸（DNA）复合体，然而目前尚缺乏明确的实验证据。在理论研究方面，场论分析表明，在热力学平衡体系或量子基态中，滑动超流相通常只发生在极端条件下。
超流相中自然存在的约瑟夫森耦合并不能形成滑动相位超流体，这个态的稳定性依赖于奇异的长程相互作用，在实验实现方面尤为重要。北京大学信息科学技术学院周小计教授、陈徐宗教授课题组，与其合作者、复旦大学物理系李晓鹏教授课题组，在超冷原子系统中，通过多脉冲激光控制，驱动量子系统进入量子非平衡态，发明了一种全新的动力学机制实现滑动相位超流体的方法，从而证明具有鞍形形状的光晶格P轨道能带色散关系对实现相位动态滑动的重要性。实验方面，课题组则通过在一个空间方向上对相位相干性产生抑制，同时保持另一正交方向上的相位相干性不受影响，而使系统可较长时间地处于一个亚稳定的量子动力学态，产生可观测的滑动相位量子超流现象。作为该实验的一项关键技术，周小计课题组创造性地提出一种高保真度、高鲁棒性的快速非绝热装载方法，将超冷原子装载到具有奇宇称的光晶格中的P-轨道能带。










驱动系统进入非平衡，并在两个方向进行探测
实验中利用冷原子系统在光晶格中高轨道实现复杂的滑动相位超流体，是非常令人兴奋的研究成果。除去动态滑动相位超流体的实验发现，实验结果还显示出，量子多体平衡相研究中所面临的一些挑战可借助光晶格的灵活性与可控性，通过进入动力学非平衡态的方式巧妙实现，这为冷原子对奇异多体物理和相变的量子模拟提供了崭新思路与广泛可能性。
2018年12月28日，上述工作以题为《在P-能带的玻色子中观察到动态滑动相位超流体》（Observation of a dynamical sliding phase superfluid with P-band bosons）的论文在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters, PRL）。这是首次在冷原子物理实验中观测到早期理论所预言的动态滑动相位超流体。信息学院2015级博士研究生牛临潇为第一作者，周小计和李晓鹏为共同通讯作者。
相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。
编辑：山石