中科大发展超冷原子模拟拓扑量子材料

中国青年报客户端讯（桂运安 中青报·中青网记者 王海涵 王磊）中国科学技术大学潘建伟院士、陈帅教授等与北京大学刘雄军教授等合作，在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得重要进展。他们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。该研究成果近日以研究长文的形式发表于《科学》。外尔半金属是一类重要的拓扑物态，其能带中的外尔点结构具有许多奇异的性质：它是一种拓扑磁单极子，且总是成对出现，在其附近的低能激发的运动模式符合“外尔费米子”的方程，最早于1929年由德国科学家赫尔曼·外尔提出。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”中最基础的一员。在凝聚态材料中，尽管近几年外尔半金属材料取得诸多重要进展，这种仅有两个外尔点的外尔半金属尚未实现。

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的热点，其中人工合成自旋轨道耦合是实现拓扑物相的一项重要技术。要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。这意味着需要构建更加复杂的三维非阿贝尔规范势，一直是超冷原子量子模拟领域的重大挑战。

为实现三维自旋轨道耦合和理想外尔半金属能带，中国科大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，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，并用两种方法印证了理想外尔半金属能带的实现。

《科学》审稿人认为，这项工作“为冷原子体系研究外尔物理中的新奇现象打开了新的方向”“作为三维自旋轨道耦合在冷原子体系的首次实现，是领域中的重要进展，并为冷原子研究提供了新的工具”“对理想外尔点的实现是非常有价值的结果，为固体系统提供了起到互补作用的研究方向”。

图解：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。

来源：中国青年报客户端