——记江西理工大学副教授刘超飞

　　□　倪 萍
　　
　　
　　

　　
　　在超冷原子分子、玻色爱因斯坦凝聚等方面的研究中，江西理工大学副教授刘超飞始终是一名不折不扣的实干者。“脚踏实地的行动是从事科研的必要条件，一个科研者不可能只会空想，而是要有属于自己的科研想法，并辅助于实验数据、理论推导去论证自己的想法。”刘超飞说。在他看来，科研是自己一生执着的事业，每个有志于科研的人只要肯在基础学习上下工夫，敢于在科研创新中去展现自己的想法，在实践中擦出思维的火花，都可以把科研做好。
　　

梦筑科研 矢志不渝

　　超冷原子、分子物理及其量子调控技术关系到国家安全和未来高新科学技术的发展。一直以来，这一领域的研究都在吸引着刘超飞将全身心聚焦于此，并开展了长达十几年的科研探索。
　　在他的介绍下，记者了解到：超冷原子、分子体系由于其宏观量子特性和高度可调控性为人们提供了一种全新的量子体系。由于其密度稀薄，对该体系的研究可以和理论预言进行精确对比，从而揭示以前不能研究或者难以观察的新奇量子现象。由于超冷原子系统具有高度的可实验性和可操控性，该体系已成为研究原子分子物理、量子信息、凝聚态物理等中的一些基本问题的实验平台。刘超飞在这一领域的创新开拓之路，从他的求学历程中便有迹可循。
　　时光追溯到2005年9月，这一年，刘超飞在完成本科学业后被保报送为硕士研究生刚满一年，又被推荐为硕博连读研究生。博士期间，刘超飞在查找文献的过程中，发现了一篇英国科研人的博士论文，里面详细介绍了几篇其发表在Physical Review Letters（《物理评论快报》）中的关于玻色—爱因斯坦凝聚体中的暗孤子动力学的研究文章，在看懂他的研究之后，刘超飞开始按照文章中所使用的Crank-Nicolson方法，开展自主研究，并完全重复了这位研究人员的全部计算结果，从此，刘超飞开始在玻色爱因斯坦领域研究各类课题，并延续至今。
　　2010年，刘超飞博士毕业后应聘到江西理工大学工作。在一次契机之下，他认识了中国科学院物理研究所刘伍明研究员，刘伍明研究员对后辈十分关爱，2011年暑期，他曾邀刘超飞到其课题组参观，刘超飞对刘伍明研究员课题组开展的研究工作十分感兴趣。从此，他便开始一边教学，一边与其开展合作研究，并发表了3篇Physical Review A。2013年，刘超飞开始在他的建议下，正式在中国科学院物理研究所开展博士后研究工作。
　　

难忘初心 潜心致研

　　“业精于勤荒于嬉”。深入科学研究之中，刘超飞没有一刻松懈，也从未停止探索。长年累月的研究学习，让刘超飞在玻色—爱因斯坦凝聚、非线性数学物理模型等方面的研究中打下了坚实的基础，积累了大量从事该领域科学研究的方法，取得了一系列创新性科研成果。
　　自旋轨道耦合效应主要描述了粒子的运动与其自旋相互作用的行为，它在自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等研究领域起着至关重要的作用。因为各种不同类型的自旋—轨道耦合现象，玻色—爱因斯坦凝聚体的基态和动力学特性上往往出现许多新的、在常规凝聚态体系统所不具备的特征，例如，基态为平面波相、条纹相；自旋—轨道耦合重塑了传统的涡旋和涡旋晶格相等，而这些新奇效应便是刘超飞所在团队研究的主题。
　　立足于这一方向，刘超飞团队展开了一系列探索，他们发现自旋轨道耦合能诱发旋转和迅速冷却的自旋1玻色爱因斯坦凝聚体中的half-Skyrmion激发，并首次给出了描述half-Skyrmion的严格数学解。研究结果表明，half-Skyrmion激发的出现依赖于自旋轨道耦合和旋转的联合效应，该激发源于嵌入凝聚体各成分产生涡旋的自旋偶极结构。当自旋轨道耦合强度和旋转频率大于某一阈值时，half-Skyrmions环绕凝聚体中心，形成一个或几个圈组成的径向晶格结构，即使在强铁磁和强反铁磁性的冷凝物也能出现。
　　除此之外，他们还系统性地对Skyrmion构型进行了分类，并在自旋轨道耦合玻色爱因斯坦凝聚体中找到了新的Skyrmion构型。
　　自从科学家在实验中观察到原子凝聚体后，分子凝聚体的形成为超冷原子物理研究提供了一个新的维度，并激发了广泛的实验和理论兴趣。超冷二原子分子可以由超冷玻色子和费米子气体产生。为了得到分子玻色—爱因斯坦凝聚体，国际上有几个研究小组一直在努力从事将超冷原子变成分子的磁缔合Feshbach共振工作。
　　2014年年初，刘超飞在原子分子涡旋结构方面取得的研究成果被Scientific Reports接收。研究发现原子分子玻色—爱因斯坦凝聚体中可以出现重叠的原子分子涡旋，二氧化碳型原子分子涡旋，间隙分子涡旋等不同构型。当原子分子相互作用由吸引到排斥变化，涡旋结构可以从重叠的原子分子涡旋改变为二氧化碳型结构，再转变为间隙分子涡旋结构，并最终成为独立分开的涡旋构型。原子分子凝聚体中的涡旋既可出现晶格型结构，也可以出现无序型结构。
　　如何将自旋—轨道耦合效应运用到原子分子系统？在查阅文献的过程中，刘超飞发现前人的研究都在预示着通过合理的合并产生自旋—轨道耦合与诱发分子凝聚体的技术，可以从87Rb 5S1/2冷原子出发得到含自旋—轨道耦合的原子分子混合物。常规原子分子凝聚体实际上考虑的是两个标量凝聚体混合物，如果考虑自旋—轨道耦合，必须涉及原子和分子的自旋。一种最简单的模型就是两个自旋向上（向下）的原子耦合成一个自旋1（-1）的分子，一个自旋向上和一个自旋向下的原子耦合成自旋为零的分子态。由于二元原子混合物可以分为易融合与相分离，自旋1分子凝聚体很可能像常规自旋1原子凝聚体一样可以分为铁磁性与反铁磁性，另外，原子分子间相互作用又可以分为吸引与排斥型，所以这种混合物的基态结构必定很丰富。刘超飞所在团队与中科院物理所的刘伍明研究员，以及立陶宛的G.Juzeliūnas教授合作，将自旋—轨道耦合推广到原子分子系统。这项工作花费了刘超飞团队近两年的时间，从原始实验方案到刻画方程的导出，再到各种新现象的发现，他们经历了前所未有的曲折。功夫不负有心人，在2016年的科研探讨中，他们已经初步建立了自旋—轨道耦合原子分子混合系统的理论模型，得到了大量数值计算结果，并发现了一种复合型Skyrmion激发，它由一个整量子Skyrmion激发耦合两个半量子Skyrmion激发组成，而这些都是他们不畏困难，探索前行的结晶。
　　在之前的研究基础上，刘超飞团队还严格证明了自旋奇异性是自旋-1玻色—爱因斯坦凝聚体中常见的现象。同时，证明了通过联合自旋轨道耦合和磁场，可以在自旋-1玻色—爱因斯坦凝聚体中稳定地激发一种奇异的自旋拓扑激发，其波函数具有常规半量子涡旋的性质。除此之外，他们还证明自旋轨道耦合能形成局部能量极小，从而起到稳定拓扑激发的作用，磁场增强自旋奇异点的产生。根据自旋涡的位置，刘超飞团队还从数学上严格证明了玻色爱因斯坦凝聚体的自旋轨道耦合能的恒等关系式。
　　创新探索，终有所得。近年来，刘超飞已经在Scientific Reports，Phys. Rev.A，Optics Express等刊物上发表论文17篇。
　　

从容不迫 执着前行

　　对于从事科研事业的信念，刘超飞始终坚定。2018年，他入选了江西省首批青年井冈学者，并顺利申请了国家自然科学基金项目“旋量玻色气体的新奇量子态和动力学研究”，开始了在科研领域的新一轮创新开拓。
　　具有自旋自由度的简并玻色气体是一类新的量子流体，它不仅受到磁性和超流动的相互作用，还涉及量子相位相干性、长程有序性和对称破缺性。这些液体本身就很有趣，因为它们现在是可以用于实验研究的新材料。此外，由于这些原子气体可以从简单的理论框架出发来描述，而且它们的性质可以很容易地在实验中被操纵和测量。在这一项目中，刘超飞就将和团队在旋量玻色气体的新奇量子态和动力学研究中展开一系列探索。
　　时光荏苒，刘超飞一直用其独有的诚恳与赤诚，坚守在科研道路上，孜孜不倦。多年来，他时刻保持着与新西兰、立陶宛、中国台湾等各个国家和地区的科研团队的紧密交流。近五年来，他参加国内外学术会议40多次，其中在全国性学术会议做邀请报告10多次。2015年，刘超飞还在江西理工大学主办了小型学术会议——量子物理学术交流会；2018年3月底，主办了凝聚态理论与统计物理学术交流会，快节奏、高效率的科研交流，极大地拓宽了他的研究视野。“科研的进步是建立在互相交流中的，我衷心地希望能够有更多的科研同行给予指点与帮助。”刘超飞说。
　　虽然每天与紧张、忙碌为伴，但刘超飞仍能在科研世界中自得其乐。十几年的科研之路，低调、踏实已经成为他的底色。这种笃行日新的作风会一直伴随着他，并鼓舞他万里驰骋，孜孜不辍。