量子模擬重要進展：中國科大首次實現超冷原子體系理想外爾半金屬態
來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大潘建偉、陳帥等與北京大學劉雄軍等合作在超冷原子模擬拓撲量子材料方面取得了重要進展。研究團隊在國際上首次利用超冷原子體系實現了三維自旋軌道耦合，並構造出有且僅有一對外爾點的理想外爾半金屬能帶結構。
據了解，在超冷原子自旋軌道耦合的研究方面，中國科大通過和北大合作一直處於研究前沿：2016年，實驗團隊和北大理論組合作，提出並構建了二維拉曼耦合光晶格，實現了二維自旋軌道耦合拓撲量子氣；近期，北大的理論團隊在原二維繫統的基礎上提出了三維自旋軌道耦合和理想外爾半金屬的新型拉曼光晶格方案，然而該方案在實驗上面臨著兩個技術難題：
·怎樣把二維形式的拉曼耦合拓展到三維結構？
·怎樣利用傳統的二維成像進行三維動量空間的探測？
針對這兩大技術難題，研究團隊設計巧妙光路，通過將光晶格“旋轉”45°，並將相位鎖定，準確構造出理論方案中三維結構的拉曼勢，合成三維自旋軌道耦合；同時通過調節實驗參量合成了有且僅有兩個外爾點的能帶結構。
圖一：A，三維自旋軌道耦合裝置示意圖。B，實驗構造的三維拉曼勢結構，導致原子在格點之間的自旋翻轉隧穿。
在探測方面，研究團隊借鑒了北大組和香港科技大學G.-B. Jo組合作提出的虛擬斷層成像法，並應用到當前的三維光晶格體系。利用體系的對稱性，通過調節拉曼失諧等效得到z方向不同動量平面上的自旋紋理，再重構出三維動量空間的自旋紋理，找到外爾點；隨後利用量子淬火動力學提取出該平面能帶的拓撲特徵，進而確定外爾點的位置。兩種方法互相佐證，印證了理想外爾半金屬能帶的實現。
圖二：A,通過虛擬斷層成像法重構三維自旋紋理，找到兩個外爾點的位置。B，通過量子淬火動力學對外爾點位置的標定。
除此之外，基於此項工作，研究團隊還將進一步開展外爾半金屬中更奇特的現象和物理過程的探索；其技術方案也可以推廣到費米子體系，開展強關聯拓撲物理的研究。
該研究成果於近日在國際學術期刊《科學》上發表，該工作開啟了超越傳統凝聚態物理的外爾型拓撲物理的量子模擬，有望極大推動量子模擬領域的發展。相關審稿人改成果給予高度評價：
·為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現像打開了新的方向；
·作為三維自旋軌道耦合在冷原子體系的首次實現，是領域中的重要進展，並為冷原子研究提供了新的工具；
·對理想外爾點的實現是非常有價值的結果，為固體系統提供了起到互補作用的研究方向。
該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部、安徽省和上海市等的支持。