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为探究长程各向异性偶极相互作用对二维（2D）Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）超流体的影响，研究人员利用超冷磁性168Er 原子开展研究。结果表明有效局部相互作用决定了准 2D 偶极气体的 BKT 转变点，该研究为理解 2D 偶极玻色子奠定了基础。
在神奇的量子世界里，二维（2D）量子系统一直是科研人员关注的焦点。其中，准二维偶极系统更是充满了奥秘，这里被预测存在许多新奇的现象，比如稳定的 2D 亮孤子、各向异性超流性等。然而，以往的研究要么没能满足准二维体系中的运动学二维条件，要么在研究二维超流本质时遇到阻碍。特别是当把长程偶极 - 偶极相互作用（DDI）引入到二维 BKT 超流体中时，会发生什么情况，这一问题一直悬而未决。由于相互作用对 BKT 机制至关重要，DDI 对 BKT 转变的影响就显得尤为引人关注。
为了揭开这些谜团，有研究人员踏上了探索之旅。他们针对二维偶极玻色气体中的 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）转变展开了深入研究，该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员为开展此项研究，用到了以下几个主要关键技术方法：
- 构建准二维陷阱：通过 532-nm 光学片束沿 z 方向紧密聚焦，结合垂直光偶极陷阱（vODT）实现准二维限制，并精确测量陷阱频率。
- 动量聚焦技术：利用该技术探测二维原子气体的平面动量分布，以确定 BKT 转变的临界点。
- 表征相互作用强度：对接触相互作用强度和 DDI 相互作用强度进行精确表征和调控。
下面来看看具体的研究结果：
- 实验过程：研究人员首先制备了近纯的168Er 玻色 - 爱因斯坦凝聚（BEC），随后将其绝热加载到准二维陷阱中，并通过缓慢旋转磁场来调整偶极子方向。实验满足运动学二维条件，且通过自洽拟合确定了基态原子的占比情况。
- BKT 转变点的确定：借助动量聚焦技术，研究人员发现当原子数超过 BKT 转变的临界点168Er 玻色 - 爱因斯坦凝聚（BEC），随后将其绝热加载到准二维陷阱中，并通过缓慢旋转磁场来调整偶极子方向。实验满足运动学二维条件，且通过自洽拟合确定了基态原子的占比情况。
- BKT 转变点的确定：借助动量聚焦技术，研究人员发现当原子数超过 BKT 转变的临界点Nc时，零动量处会出现尖锐峰值，同时陷阱平均一阶关联函数g1(r) 呈现代数衰减，这些现象都表明了 BKT 转变的发生。此外，通过改变偶极子方向，研究人员观察到临界原子数发生了明显的移动，并且这一移动与理论预测相符。
- 状态方程（EoS）测量：研究人员测量了不同偶极子角度下的原位密度分布，并基于局部密度近似（LDA）进行分析。结果发现，弱相互作用的准二维偶极气体的 EoS 具有尺度不变性，且其临界化学势和超流态下的压缩率与理论预测吻合良好。不过，当偶极子倾斜角度较大时，由于非局部效应的存在，超流态下的 EoS 无法用有效局部相互作用来描述。
- 超流转变：通过计算 EoS 的缩放压缩率，研究人员成功识别出了超流转变。在不同角度下，临界化学势的测量结果与理论 BKT 临界点相符，进一步证实了局部相互作用决定了二维偶极系统的超流相转变点。同时，当偶极子主要在平面内倾斜时，压缩率会偏离托马斯 - 费米（TF）极限，这也体现了非局部项的影响。
- 转变附近的普适性：研究人员对二维偶极样本在 BKT 转变点附近的普适性进行了测试。结果发现，在从正常气相到相转变点的过程中，普适性是存在的。然而，当偶极子主要沿 z 轴排列时，普适性行为会进一步延伸到超流区域；而当偶极子倾斜角度大于 55° 时，由于 DDI 的非局部项对密度的影响，导致局部有效相互作用无法揭示超流区域中 BKT 转变点附近的普适标度。
- 各向异性数涨落：由于二维偶极超流体中存在各向异性的动量相关相互作用，研究人员预期会观察到各向异性的特征。通过在云中心的深超流区域探测原子数涨落，他们发现当偶极子在平面内倾斜时，沿偶极子方向的细胞中的数涨落大于垂直于偶极子方向的细胞，这一结果证实了二维偶极超流体中存在独特的各向异性相关性。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功在单层准二维陷阱中实现了偶极超流体，并通过实验证明了有效局部相互作用g~eff决定了准二维偶极气体中适度 DDI 下的 BKT 转变点。他们还确认了弱相互作用准二维偶极气体 EoS 的尺度不变性，但也发现 BKT 转变点附近的普适性在超流侧未被观察到，这可归因于谐波陷阱中的非局部效应。此外，他们观察到了偶极子主要在平面内倾斜时云中心超流区域的各向异性原子数涨落，这确立了二维偶极超流体中独特的各向异性相关性。
这项研究意义重大，它为理解二维偶极玻色子提供了坚实的基础，也为研究二维偶极超流体中的复杂有序态开辟了新的道路。未来，研究人员可以进一步探索均匀偶极准二维气体的 EoS，研究不同原子或分子体系中的相关现象，以及探索双层系统中的超流性等，有望在量子领域取得更多突破性的进展。
