早在上世纪30年代，科学家们就在液氦中发现了超流现象，这一发现开启了人们近一个世纪以来对宏观量子现象的探索。超流现象不仅推动了激光冷却、稀释制冷机等低温技术的发展，更为量子模拟、量子计算等领域的发展提供了重要工具。
进入本世纪初，Kuklov等理论物理学家提出了对流超流的设想。然而，对流超流态的制备需要极低的温度，其观测更需要单原子自旋可分辨的测量能力，这些实验技术挑战使得此类超流性与绝缘性共存的新奇物态一直未被实验证实。近年来，超冷原子量子模拟器的出现为观测对流超流相提供了新的手段。
中国科学技术大学的潘建伟、苑震生、邓友金及其合作者，在超冷原子量子模拟实验中，首次成功观测到了对流超流相(Counterflow superfluidity)这一新奇量子物态。这一发现不仅证实了对流的双组分超流体共同形成绝缘体的特性，更为我们理解强关联量子多体物态中的微观物理机制提供了新的视角。
潘建伟团队巧妙地设计制备了无缺陷低熵的双填充自旋莫特相初态，并调控两种自旋原子之间的相互作用，将体系绝热演化至对流超流相。他们使用团队开发的具备单原子自旋可分辨的量子气体显微镜技术，发现在对流超流相中，两种自旋的粒子数涨落变大，但总粒子数的涨落依然很小。这说明两种自旋的原子在格点上存在粒子数涨落反关联。
进一步的时间飞行测量显示，两种自旋间存在非零的对流超流关联函数，这是对流超流相的关键实验证据。通过探测体系中原子之间的长程自旋关联，研究团队估计出系统的温度低于1.2 nK，这为对流超流相的产生提供了重要的低温条件。
这一发现不仅证实了理论物理学家关于对流超流相的预测，更展示了超冷原子量子模拟方法在探索新奇物相方面的强大能力。该方法为科学家们提供了丰富的量子调控和观测手段，成为深入理解强关联量子多体物态中微观物理机制的重要工具。
此外，这一实验技术还可以拓展到三组分、多组分自旋超流体系的研究中，并有望推动大自旋原子形成的拓扑量子物态的实验研究。这些研究将进一步丰富我们对量子世界的认识，并为量子计算、量子通信等前沿科技的发展提供新的思路和可能。
相关研究成果Counterflow superfluidity in a two-component Mott insulator于近日发表在《自然-物理学》(Nature Physics)上。
