近日，我院应用物理系青年教师沈鑫博士联合北京邮电大学孙明远副教授、深圳量子科学与工程研究院吴志钢副研究员、以色列魏茨曼科学院Nir Davidson教授和丹麦奥尔胡斯大学Georg M. Bruun教授在2024年第3期《Physical Review Letters》上发表题为“强相互作用玻色-费米混合气体：诱导相互作用，相图以及声子模传播（Strongly Interacting Bose-Fermi Mixtures: Mediated Interaction, Phase Diagram, and Sound Propagation）”的研究性论文。沈鑫博士为第一作者，我校理学院为第一作者单位。

超冷原子气体是指将一些中性原子（常见的是碱金属原子）束缚在势阱中，通过激光冷却和进一步蒸发冷却的方法，降低至纳开尔文（nK）量级的温度。在极低的温度条件下，原子以及原子间的相互作用导致的量子力学效应变得显著，能够在实验观测到玻色-爱因斯坦凝聚体、超流或超导等量子现象。由于实验技术上对冷原子具有高度的可操控性，使得冷原子的研究范围十分广泛，涵盖了凝聚态物理、量子信息、量子度量以及高能物理等领域。

玻色-费米混合气体是指玻色型和费米型原子气体同时冷却在势阱中，最早的雏形是为了能够实现对费米原子气体的冷却：由于低温下费米原子之间的相互作用极弱，导致蒸发冷却效率极低。通过加入冷却的玻色子，利用玻色-费米原子之间的相互作用实现费米气体的冷却。关于玻色-费米混合气体的研究很多，包括超固体、复合费米子以及玻色/费米极化子等，除此之外，近年来的实验研究开始关注玻色-费米混合气体中诱导相互作用所带来的可观测效应，如玻色凝聚体中的声子模式以及集体模。

受芝加哥大学冷原子实验小组的工作Phys. Rev. Lett. 131, 083003 (2023)启发, 沈鑫博士及其合作者发展了玻色-费米混合气体的强耦合理论，使得理论能够满足压缩率求和定则。根据该理论，玻色之间通过费米原子传递的相互作用可以得到，由此计算出玻色-费米混合气体在整个相互作用范围内的平衡态相图（见图1）和混合气体在可混合区域内的玻色凝聚体声速，定性上能够复现实验观测到的声速在Feshbach共振区域内仍然能够保持存在。由于实验中通过调节磁场来调控原子间相互作用，系统处于非平衡态，在此基础上考虑实验观测到的原子的损耗，计算得到的声速与实验观测数据吻合（见图2）。此外，由于玻色-费米之间的相互作用，使得费米气体中零声模可以通过玻色凝聚体的声子模诱导激发，根据强耦合理论计算了玻色凝聚体的动力学结构因子，提示实验上可以通过布拉格散射方法观测到双峰结构。

图 1 锂6原子和铯133原子混合气体的相图

图2 锂6-铯133混合气体中铯133凝聚体中声速的理论和实验对比

沈鑫博士是我校理学院在2020年引进的青年教师，2018年博士毕业于南京大学物理学专业，2018至2020年在南方科技大学量子科学与工程研究院从事博士后研究，主要研究方向为超冷原子体系中的量子模拟，包括拓扑量子物态和玻色-费米混合气体中的量子多体效应等。

论文的研究成果得到国家重点研发计划（2022YFA1404103）和国家自然科学基金项目（11974161、12004049、12104430）等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.033401