誠(chéng)懇行事 用心科研
——記江西理工大學(xué)副教授劉超飛

□ 倪 萍

2018年5月，參加紀(jì)念諾貝爾獎(jiǎng)獲得者阿列克謝·阿布里科索夫的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)。

在超冷原子分子、玻色愛因斯坦凝聚等方面的研究中，江西理工大學(xué)副教授劉超飛始終是一名不折不扣的實(shí)干者?！澳_踏實(shí)地的行動(dòng)是從事科研的必要條件，一個(gè)科研者不可能只會(huì)空想，而是要有屬于自己的科研想法，并輔助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)去論證自己的想法?！眲⒊w說(shuō)。在他看來(lái)，科研是自己一生執(zhí)著的事業(yè)，每個(gè)有志于科研的人只要肯在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)上下工夫，敢于在科研創(chuàng)新中去展現(xiàn)自己的想法，在實(shí)踐中擦出思維的火花，都可以把科研做好。

夢(mèng)筑科研 矢志不渝

超冷原子、分子物理及其量子調(diào)控技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和未來(lái)高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。一直以來(lái)，這一領(lǐng)域的研究都在吸引著劉超飛將全身心聚焦于此，并開展了長(zhǎng)達(dá)十幾年的科研探索。

在他的介紹下，記者了解到：超冷原子、分子體系由于其宏觀量子特性和高度可調(diào)控性為人們提供了一種全新的量子體系。由于其密度稀薄，對(duì)該體系的研究可以和理論預(yù)言進(jìn)行精確對(duì)比，從而揭示以前不能研究或者難以觀察的新奇量子現(xiàn)象。由于超冷原子系統(tǒng)具有高度的可實(shí)驗(yàn)性和可操控性，該體系已成為研究原子分子物理、量子信息、凝聚態(tài)物理等中的一些基本問題的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。劉超飛在這一領(lǐng)域的創(chuàng)新開拓之路，從他的求學(xué)歷程中便有跡可循。

時(shí)光追溯到2005年9月，這一年，劉超飛在完成本科學(xué)業(yè)后被保報(bào)送為碩士研究生剛滿一年，又被推薦為碩博連讀研究生。博士期間，劉超飛在查找文獻(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了一篇英國(guó)科研人的博士論文，里面詳細(xì)介紹了幾篇其發(fā)表在Physical Review Letters（《物理評(píng)論快報(bào)》）中的關(guān)于玻色—愛因斯坦凝聚體中的暗孤子動(dòng)力學(xué)的研究文章，在看懂他的研究之后，劉超飛開始按照文章中所使用的Crank-Nicolson方法，開展自主研究，并完全重復(fù)了這位研究人員的全部計(jì)算結(jié)果，從此，劉超飛開始在玻色愛因斯坦領(lǐng)域研究各類課題，并延續(xù)至今。

2010年，劉超飛博士畢業(yè)后應(yīng)聘到江西理工大學(xué)工作。在一次契機(jī)之下，他認(rèn)識(shí)了中國(guó)科學(xué)院物理研究所劉伍明研究員，劉伍明研究員對(duì)后輩十分關(guān)愛，2011年暑期，他曾邀劉超飛到其課題組參觀，劉超飛對(duì)劉伍明研究員課題組開展的研究工作十分感興趣。從此，他便開始一邊教學(xué)，一邊與其開展合作研究，并發(fā)表了3篇Physical Review A。2013年，劉超飛開始在他的建議下，正式在中國(guó)科學(xué)院物理研究所開展博士后研究工作。

難忘初心 潛心致研

“業(yè)精于勤荒于嬉”。深入科學(xué)研究之中，劉超飛沒有一刻松懈，也從未停止探索。長(zhǎng)年累月的研究學(xué)習(xí)，讓劉超飛在玻色—愛因斯坦凝聚、非線性數(shù)學(xué)物理模型等方面的研究中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，積累了大量從事該領(lǐng)域科學(xué)研究的方法，取得了一系列創(chuàng)新性科研成果。

自旋軌道耦合效應(yīng)主要描述了粒子的運(yùn)動(dòng)與其自旋相互作用的行為，它在自旋霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體等研究領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)楦鞣N不同類型的自旋—軌道耦合現(xiàn)象，玻色—愛因斯坦凝聚體的基態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性上往往出現(xiàn)許多新的、在常規(guī)凝聚態(tài)體系統(tǒng)所不具備的特征，例如，基態(tài)為平面波相、條紋相；自旋—軌道耦合重塑了傳統(tǒng)的渦旋和渦旋晶格相等，而這些新奇效應(yīng)便是劉超飛所在團(tuán)隊(duì)研究的主題。

立足于這一方向，劉超飛團(tuán)隊(duì)展開了一系列探索，他們發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合能誘發(fā)旋轉(zhuǎn)和迅速冷卻的自旋1玻色愛因斯坦凝聚體中的half-Skyrmion激發(fā)，并首次給出了描述half-Skyrmion的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。研究結(jié)果表明，half-Skyrmion激發(fā)的出現(xiàn)依賴于自旋軌道耦合和旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合效應(yīng)，該激發(fā)源于嵌入凝聚體各成分產(chǎn)生渦旋的自旋偶極結(jié)構(gòu)。當(dāng)自旋軌道耦合強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)頻率大于某一閾值時(shí)，half-Skyrmions環(huán)繞凝聚體中心，形成一個(gè)或幾個(gè)圈組成的徑向晶格結(jié)構(gòu)，即使在強(qiáng)鐵磁和強(qiáng)反鐵磁性的冷凝物也能出現(xiàn)。

除此之外，他們還系統(tǒng)性地對(duì)Skyrmion構(gòu)型進(jìn)行了分類，并在自旋軌道耦合玻色愛因斯坦凝聚體中找到了新的Skyrmion構(gòu)型。

自從科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中觀察到原子凝聚體后，分子凝聚體的形成為超冷原子物理研究提供了一個(gè)新的維度，并激發(fā)了廣泛的實(shí)驗(yàn)和理論興趣。超冷二原子分子可以由超冷玻色子和費(fèi)米子氣體產(chǎn)生。為了得到分子玻色—愛因斯坦凝聚體，國(guó)際上有幾個(gè)研究小組一直在努力從事將超冷原子變成分子的磁締合Feshbach共振工作。

2014年年初，劉超飛在原子分子渦旋結(jié)構(gòu)方面取得的研究成果被Scientific Reports接收。研究發(fā)現(xiàn)原子分子玻色—愛因斯坦凝聚體中可以出現(xiàn)重疊的原子分子渦旋，二氧化碳型原子分子渦旋，間隙分子渦旋等不同構(gòu)型。當(dāng)原子分子相互作用由吸引到排斥變化，渦旋結(jié)構(gòu)可以從重疊的原子分子渦旋改變?yōu)槎趸夹徒Y(jié)構(gòu)，再轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙分子渦旋結(jié)構(gòu)，并最終成為獨(dú)立分開的渦旋構(gòu)型。原子分子凝聚體中的渦旋既可出現(xiàn)晶格型結(jié)構(gòu)，也可以出現(xiàn)無(wú)序型結(jié)構(gòu)。

如何將自旋—軌道耦合效應(yīng)運(yùn)用到原子分子系統(tǒng)？在查閱文獻(xiàn)的過程中，劉超飛發(fā)現(xiàn)前人的研究都在預(yù)示著通過合理的合并產(chǎn)生自旋—軌道耦合與誘發(fā)分子凝聚體的技術(shù)，可以從87Rb 5S1/2冷原子出發(fā)得到含自旋—軌道耦合的原子分子混合物。常規(guī)原子分子凝聚體實(shí)際上考慮的是兩個(gè)標(biāo)量凝聚體混合物，如果考慮自旋—軌道耦合，必須涉及原子和分子的自旋。一種最簡(jiǎn)單的模型就是兩個(gè)自旋向上（向下）的原子耦合成一個(gè)自旋1（-1）的分子，一個(gè)自旋向上和一個(gè)自旋向下的原子耦合成自旋為零的分子態(tài)。由于二元原子混合物可以分為易融合與相分離，自旋1分子凝聚體很可能像常規(guī)自旋1原子凝聚體一樣可以分為鐵磁性與反鐵磁性，另外，原子分子間相互作用又可以分為吸引與排斥型，所以這種混合物的基態(tài)結(jié)構(gòu)必定很豐富。劉超飛所在團(tuán)隊(duì)與中科院物理所的劉伍明研究員，以及立陶宛的G.Juzeliūnas教授合作，將自旋—軌道耦合推廣到原子分子系統(tǒng)。這項(xiàng)工作花費(fèi)了劉超飛團(tuán)隊(duì)近兩年的時(shí)間，從原始實(shí)驗(yàn)方案到刻畫方程的導(dǎo)出，再到各種新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，他們經(jīng)歷了前所未有的曲折。功夫不負(fù)有心人，在2016年的科研探討中，他們已經(jīng)初步建立了自旋—軌道耦合原子分子混合系統(tǒng)的理論模型，得到了大量數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)合型Skyrmion激發(fā)，它由一個(gè)整量子Skyrmion激發(fā)耦合兩個(gè)半量子Skyrmion激發(fā)組成，而這些都是他們不畏困難，探索前行的結(jié)晶。

在之前的研究基礎(chǔ)上，劉超飛團(tuán)隊(duì)還嚴(yán)格證明了自旋奇異性是自旋-1玻色—愛因斯坦凝聚體中常見的現(xiàn)象。同時(shí)，證明了通過聯(lián)合自旋軌道耦合和磁場(chǎng)，可以在自旋-1玻色—愛因斯坦凝聚體中穩(wěn)定地激發(fā)一種奇異的自旋拓?fù)浼ぐl(fā)，其波函數(shù)具有常規(guī)半量子渦旋的性質(zhì)。除此之外，他們還證明自旋軌道耦合能形成局部能量極小，從而起到穩(wěn)定拓?fù)浼ぐl(fā)的作用，磁場(chǎng)增強(qiáng)自旋奇異點(diǎn)的產(chǎn)生。根據(jù)自旋渦的位置，劉超飛團(tuán)隊(duì)還從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了玻色愛因斯坦凝聚體的自旋軌道耦合能的恒等關(guān)系式。

創(chuàng)新探索，終有所得。近年來(lái)，劉超飛已經(jīng)在Scientific Reports，Phys. Rev.A，Optics Express等刊物上發(fā)表論文17篇。

從容不迫 執(zhí)著前行

對(duì)于從事科研事業(yè)的信念，劉超飛始終堅(jiān)定。2018年，他入選了江西省首批青年井岡學(xué)者，并順利申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“旋量玻色氣體的新奇量子態(tài)和動(dòng)力學(xué)研究”，開始了在科研領(lǐng)域的新一輪創(chuàng)新開拓。

具有自旋自由度的簡(jiǎn)并玻色氣體是一類新的量子流體，它不僅受到磁性和超流動(dòng)的相互作用，還涉及量子相位相干性、長(zhǎng)程有序性和對(duì)稱破缺性。這些液體本身就很有趣，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在是可以用于實(shí)驗(yàn)研究的新材料。此外，由于這些原子氣體可以從簡(jiǎn)單的理論框架出發(fā)來(lái)描述，而且它們的性質(zhì)可以很容易地在實(shí)驗(yàn)中被操縱和測(cè)量。在這一項(xiàng)目中，劉超飛就將和團(tuán)隊(duì)在旋量玻色氣體的新奇量子態(tài)和動(dòng)力學(xué)研究中展開一系列探索。

時(shí)光荏苒，劉超飛一直用其獨(dú)有的誠(chéng)懇與赤誠(chéng)，堅(jiān)守在科研道路上，孜孜不倦。多年來(lái)，他時(shí)刻保持著與新西蘭、立陶宛、中國(guó)臺(tái)灣等各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的科研團(tuán)隊(duì)的緊密交流。近五年來(lái)，他參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議40多次，其中在全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告10多次。2015年，劉超飛還在江西理工大學(xué)主辦了小型學(xué)術(shù)會(huì)議——量子物理學(xué)術(shù)交流會(huì)；2018年3月底，主辦了凝聚態(tài)理論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)術(shù)交流會(huì)，快節(jié)奏、高效率的科研交流，極大地拓寬了他的研究視野?！翱蒲械倪M(jìn)步是建立在互相交流中的，我衷心地希望能夠有更多的科研同行給予指點(diǎn)與幫助?！眲⒊w說(shuō)。

雖然每天與緊張、忙碌為伴，但劉超飛仍能在科研世界中自得其樂。十幾年的科研之路，低調(diào)、踏實(shí)已經(jīng)成為他的底色。這種篤行日新的作風(fēng)會(huì)一直伴隨著他，并鼓舞他萬(wàn)里馳騁，孜孜不輟。