超流是一种宏观量子效应，其实验研究最早可追溯到20世纪30年代。1937年，苏联物理学家P. Kapitza发现，当液氦-4的温度降低到2.17K时，液氦从正常流体突然转变为没有粘滞性且具有不寻常性质的超流体。20世纪40年代，物理学家L. Onsager、L. Landau和R. Feynman等人在理论上指出，超流体可以存在一种称为量子涡旋的状态，涡旋中心是宏观波函数的拓扑奇异点，波函数的相位围绕这个奇异点的圈积分存在量子化现象。产生量子涡旋最直接的手段就是让超流体旋转起来。物理学家对超流和量子涡旋的研究已经持续了近一个世纪，相关研究多次获得诺贝尔物理学奖。20世纪90年代以来，超冷原子物理的发展为研究超流和量子涡旋提供了非常理想的可以精确调控的实验系统。

2019年，中国科学院武汉物理与数学研究所的江开军研究员领导的实验团队通过将拉盖尔-高斯光的轨道角动量转移给铷原子，在旋量玻色气体中实现了原子的自旋-轨道角动量耦合。在这个旋量BEC系统中，由于光的角动量直接转移给了玻色原子，他们可以直接可控地产生涡旋，并观测到了量子相变。

对于两分量费米原子气体形成的超流体，是否也能通过这样的方式产生量子涡旋呢？在这个系统中，超流的形成是由于两分量费米原子之间产生Cooper配对并发生相干凝聚。如果将光的轨道角动量转移给费米原子，那么Cooper对的总角动量为零，因而不会产生量子涡旋。也就是说，与玻色原子BEC不同，单纯的自旋-轨道角动量耦合在费米超流体中不会直接产生量子涡旋。

图1: (a)(b)两分量费米原子气体中自旋-轨道角动量耦合的实现; (c)(d)无失谐和有失谐时的单粒子能谱。

图2: 体系在Raman耦合强度-失谐平面上的相图。SF: 无涡旋超流相，V1: 有能隙涡旋相，V2: 无能隙涡旋相，N: 正常相。

图3: 非涡旋相(a)(b)和涡旋相(c)(d)(e)(f)中的准粒子能谱，序参量分布和粒子数分布。

物理系何联毅副教授课题组（何联毅副教授和博士后陈科技、吴凡）与中国科学技术大学易为教授和中国科学院武汉物理与数学研究所彭世国副研究员一起仔细探讨了这个问题。研究发现，实验中可以调控的Raman耦合强度和双光子失谐量在理论上分别扮演了横向和纵向Zeeman场的角色，后者还使得时间反演对称性受到破坏。与自旋-轨道角动量耦合效应综合在一起，费米面会发生变形（图1）。因此在费米原子发生Cooper配对的时候，倾向于产生总角动量不为零的配对。这个机制与自旋-线动量耦合的费米系统中容易产生总动量不为零的配对（Fulde-Ferrell态）有异曲同工之妙。在进一步的理论研究中，他们仔细求解了自洽的Bogoliubov-de Gennes方程，通过比较非涡旋解和涡旋解的能量得到了体系的相图（图2）。理论计算表明体系存在两种涡旋相：有能隙的涡旋相和无能隙的涡旋相。在涡旋态中，由于准粒子能谱中存在Caroli-de Gennes-Matricon （CdGM）态，涡旋中心将产生可观的自旋极化（图3），很容易在实验中被观测到。研究还发现，这个体系中产生的量子涡旋的尺寸远大于在旋转体系中产生的涡旋尺寸（因而是一种巨型涡旋），而且可以通过改变光场的腰宽来调节。

该研究成果以“Generating Giant Vortex in a Fermi Superfluid via Spin-Orbital-Angular-Momentum Coupling”为题发表在2020年12月31日的Physical Review Letters上。物理系博士后陈科技和吴凡为论文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.260407