我国学者在超冷原子拓扑物理的量子模拟中取得进展
日期 2021-04-26  来源:数理科学部  作者:姜向伟 张诗按 齐静波 倪培根

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 图1 (A)三维自旋轨道耦合装置示意图;(B)实验构造的三维拉曼势结构,导致原子在格点之间的自旋翻转隧穿

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图2 (A)通过虚拟断层成像法重构三维自旋纹理,找到两个外尔点的位置;(B)通过量子淬火动力学对外尔点位置的标定

       在国家自然科学基金项目(批准号:11825401、11761161003、11921005、 12025406)等资助下,中国科学技术大学潘建伟、陈帅教授研究团队与北京大学刘雄军教授研究团队合作,在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得了进展。在国际上首次利用超冷原子体系实现了三维自旋轨道耦合,并构造出有且仅有一对外尔点的理想外尔半金属能带结构。该成果以“利用三维自旋轨道耦合量子气体实现理想外尔半金属能带(Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling)”为题,于2021年04月16日发表在《科学》(Science)杂志上,论文链接:https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271。

  外尔半金属是一类重要的拓扑物态,其能带中外尔点结构具有许多奇异性质,有且仅有两个外尔点的外尔半金属--理想外尔半金属,是外尔半金属“家族”中最为基础的一员,衍生的相互作用关联相总是拓扑非平庸的。近几年外尔半金属材料研究取得诸多重要进展,但仅有两个外尔点的外尔半金属尚未实现。因超冷原子体系具有环境干净,高度可控等重要特性,通过超冷原子研究拓扑量子物态目前是量子模拟领域中一个活跃的方向,其中人工合成自旋轨道耦合是实现拓扑物态的一项重要技术。实现外尔半金属等高维拓扑物态的模拟,三维自旋轨道耦合是其必要条件。构建更加复杂的三维非阿贝尔规范势,在超冷原子量子模拟领域是一项重大挑战。

  中国科学技术大学与北京大学联合研究团队设计了巧妙的光路,通过将光晶格“旋转”45°,并将相位锁定,准确构造出理论方案中三维结构的拉曼势,合成三维自旋轨道耦合(图1),同时通过调节实验参量合成了有且仅有两个外尔点的能带结构,研究团队借鉴了北大组和香港科技大学G.-B. Jo组合作提出的虚拟断层成像法,利用体系的对称性,通过调节拉曼失谐,等效得到z方向不同动量平面上的自旋纹理,重构出三维动量空间的自旋纹理,找到外尔点(图2A)。随后利用量子淬火动力学提取出该平面能带的拓扑特征,进而确定外尔点的位置(图2B)。两种方法互相佐证,印证了理想外尔半金属能带的实现。

  该工作开启了超越传统凝聚态物理的外尔型拓扑物理量子模拟,为冷原子体系研究外尔物理中的新奇现象展现了新的方向,相关技术方案也可推广到超冷费米子体系开展强关联拓扑物理研究领域,有望大力推动超冷原子量子模拟的发展。