中國科學技術大學潘建偉、苑震生、鄧友金等與合作者在超冷原子量子模擬實驗中，首次觀測到對流超流相（counterflow superfluidity）這一新奇量子物態，證實了對流的雙組分超流體共同形成絕緣體的特性。相關成果近日發表在國際知名學術期刊《自然·物理學》（Nature Physics）上。

上世紀30年代，卡皮查、艾倫和邁斯納等在液氦中發現超流現象，這推動了人們近一個世紀以來對相關的宏觀量子現象的探索，如玻色-愛因斯坦凝聚、量子渦旋、超流-絕緣體相變、拓撲量子物態、以及超流與超導之間關系等的研究，對量子多體物理基礎前沿研究具有重要的科學意義。超流現象的研究也推動了激光冷卻、稀釋制冷機等低溫技術的發展，為量子模擬、量子計算和相關領域的發展提供了重要工具。同時，不斷增強的量子調控技術為揭示此類宏觀量子現象中的微觀物理機制提供了重要的手段和嶄新的研究視角。

本世紀初，Kuklov等在理論上提出了對流超流的設想：與一般的超流體不同，對流超流相中存在兩個相對流動的超流體，它們分別由自旋為A和B的粒子組成；兩種自旋的粒子會相對流動，體現出超流性；但是兩種相對流動的自旋流之間存在嚴格的關聯使得總粒子流為零，因此整體上看并不存在流動性，而是形成莫特絕緣體。由于對流超流態的制備需要極低的溫度，其觀測更需要單原子自旋可分辨的測量能力，這些實驗技術挑戰使得此類超流性與絕緣性共存的新奇物態一直未被實驗證實。

近年來，超冷原子量子模擬器的出現為觀測對流超流相提供了新的手段。在此項實驗中，研究團隊巧妙地設計制備了無缺陷低熵的雙填充自旋莫特相初態，由此出發調控兩種自旋原子之間的相互作用將體系絕熱演化至對流超流相。使用該團隊開發的具備單原子自旋可分辨的量子氣體顯微鏡技術，他們發現在對流超流相兩種自旋的粒子數漲落變大但是總粒子數的漲落依然很小，該現象說明兩種自旋的原子在格點上存在粒子數漲落反關聯。進一步的時間飛行測量顯示兩種自旋間存在非零的對流超流關聯函數，即對流超流相的關鍵實驗證據。通過探測體系中原子之間的長程自旋關聯，該研究估計出系統的溫度低于1.2 nK，這為對流超流相的產生提供了重要的低溫條件。

此項研究表明，超冷原子量子模擬方法為探索新奇物相提供了豐富的量子調控和觀測手段，成為深入理解強關聯量子多體物態中微觀物理機制的重要工具。相關實驗技術可拓展到三組分、多組分自旋超流體系的研究中，并進一步推動對大自旋原子形成的拓撲量子物態的實驗研究。該工作得到了論文審稿人的高度評價，認為此項工作是“量子模擬領域的卓越成就”“尤其是基于該團隊前期幾項重要科研進展實現了對低溫低熵對流超流態的制備”“此工作的一個關鍵創新點是制備超低溫自旋莫特相。”

中國科學技術大學鄭永光博士（現為劍橋大學博士后研究員）和博士研究生駱安為論文的共同第一作者。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和安徽省以及中國博士后科學基金的資助。