自旋-軌道耦合將粒子的兩個(gè)內(nèi)稟屬性——自旋及軌道運(yùn)動(dòng)，有機(jī)地聯(lián)系在一起，導(dǎo)致凝聚態(tài)物理和原子分子物理中許多重要的宏觀和微觀物理效應(yīng)。近年來，自旋-軌道耦合的超冷原子氣體的研究取得了飛速發(fā)展。不同于電子的自旋-軌道耦合，中性原子的自旋-軌道耦合是在超精細(xì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過控制激光和原子間的相互作用，將原子的自旋和動(dòng)量聯(lián)系到一起。利用這一原理，2011年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的Spielman研究組首次在銣原子中應(yīng)用雙光子拉曼過程實(shí)現(xiàn)了自旋-軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚。冷原子體系所特有的高純性和可調(diào)控性，以及原子自旋組分的多樣性，為挖掘自旋-軌道耦合的新效應(yīng)和新物理創(chuàng)造了更廣闊和更理想的物理環(huán)境。近年來，對(duì)于不同維度中不同類型自旋-軌道耦合的超冷費(fèi)米氣體的研究引起了廣泛關(guān)注，其中磁性和超導(dǎo)并存的，有限動(dòng)量的Fulde-Ferrell（FF）超流態(tài)是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的“百人計(jì)劃”研究員崔曉玲和研究生周黎紅，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的易為教授合作，針對(duì)自旋-軌道耦合的超冷費(fèi)米氣體這一熱點(diǎn)領(lǐng)域開展理論研究，取得了重要進(jìn)展。他們將少量雜質(zhì)原子加入到一個(gè)無相互作用，自旋為1/2并帶有自旋-軌道耦合的費(fèi)米氣體中，且雜質(zhì)原子只與后者的一種自旋組分有相互作用（圖1）。這一體系很容易在有Feshbach共振的冷原子的混合氣體（例如鋰和鉀）中實(shí)現(xiàn)。對(duì)這樣一個(gè)三組分費(fèi)米原子系統(tǒng)，由于自旋-軌道耦合與自旋選擇作用之間的相互影響，一個(gè)自然的結(jié)果就是原子間有限動(dòng)量的配對(duì)，即FF態(tài)。這種FF態(tài)的配對(duì)機(jī)制與傳統(tǒng)的配對(duì)機(jī)制有顯著區(qū)別，它并不依賴于不同自旋組分費(fèi)米面的不匹配，而主要取決于自旋-軌道耦合的存在以及相互作用的特殊性。
他們從最基本的兩體束縛態(tài)出發(fā)，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其基態(tài)確實(shí)具有非零的質(zhì)心動(dòng)量；在考慮自旋1/2原子形成費(fèi)米海的情況下，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)自旋-軌道耦合及相互作用強(qiáng)度，束縛態(tài)會(huì)出現(xiàn)兩類有限動(dòng)量配對(duì)態(tài)間的競(jìng)爭(zhēng)（圖2）；這一結(jié)果也導(dǎo)致多體系統(tǒng)中兩類FF超流態(tài)間的一級(jí)相變（圖3）。這些系統(tǒng)的研究表明，F(xiàn)F配對(duì)是這一系統(tǒng)內(nèi)稟的配對(duì)機(jī)制，且對(duì)于所有的態(tài)，無論是兩體分子態(tài)、極化子態(tài)，還是多體超流態(tài)，配對(duì)現(xiàn)象都在很大的參數(shù)區(qū)間內(nèi)存在。與此相反，對(duì)于傳統(tǒng)的無自旋-軌道耦合的超導(dǎo)體系，F(xiàn)F態(tài)只在一個(gè)很窄的相互作用和磁場(chǎng)參數(shù)區(qū)間才出現(xiàn)。這些系統(tǒng)的理論研究可以由當(dāng)前的冷原子實(shí)驗(yàn)直接進(jìn)行驗(yàn)證，為實(shí)驗(yàn)上有效地制備和探測(cè)這種奇異的有限動(dòng)量超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制提供了便捷條件。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院“百人計(jì)劃”的支持，已發(fā)表在近期出版的Physical Review Letters112, 195301 (2014)上。
圖1. 有自旋-軌道耦合的三組分費(fèi)米混合氣體模型
圖2. 兩體束縛能與質(zhì)心動(dòng)量間的關(guān)系曲線：（a）不同自旋-軌道耦合強(qiáng)度（b）不同的相互作用強(qiáng)度
圖3.（a）質(zhì)心動(dòng)量和超流能隙與相互作用強(qiáng)度的關(guān)系圖；（b）多體超流相圖。紅線為正常態(tài)（N）到一類有限動(dòng)量超流態(tài)（FF1）的相變邊界；藍(lán)線為兩類不同有限動(dòng)量超流態(tài)（FF1與FF2）的相變邊界。
