潘建偉等在超冷原子量子模擬研究方面獲突破
記者今天獲悉，中國科學技術大學和北京大學相關研究人員組成的聯合團隊在超冷原子量子模擬領域取得了重大突破。這一成果意味著，我國在超冷原子量子模擬相關研究方向上已走在國際最前列。相關研究成果發表在最新一期的《科學》雜志上。
該團隊在國際上首次理論提出并實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。由于該工作“對研究超越傳統凝聚態物理的奇異現象具有重大潛力”, 《科學》雜志在同期的觀點欄目專門配發了評論文章。
“這一成果從理論到實驗都是由中國科學家獨立完成的。”論文通訊作者之一、中國科學院院士、中科大教授潘建偉說，該工作將對冷原子和凝聚態物理研究產生重大影響，推動人們對物質世界的深入理解。基于此工作可研究全新的拓撲物理，包括固體系統中難以觀察到的玻色子拓撲效應等,從而為超冷原子量子模擬開辟了一條新道路。
“自旋軌道耦合是量子物理學中基本的物理效應。它在多種基本物理現象和新奇量子物態中扮演了核心角色。這些現象導致產生了自旋電子學，拓撲絕緣體，拓撲超導體等當前凝聚態物理中最重要的前沿研究領域。”論文通訊作者之一、北京大學教授劉雄軍介紹。
然而，由于難以控制的復雜環境，很多重要的新奇物理難以在固體材料中做精確研究，這對相關科研帶來很大挑戰。冷原子有環境干凈，高度可控等重要特性，隨著超冷原子物理量子模擬領域的重大發展，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合，并研究新奇量子物態已成為該領域最重大的前沿課題之一。
然而，在超冷原子中實現高維自旋軌道耦合在理論和實驗上都是極具挑戰性的問題。國際上多個團隊均為此付出了許多努力。為解決這一根本困難，北京大學劉雄軍理論小組提出了拉曼光晶格量子系統。
研究人員發現，基于該系統，不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，并能得到如量子反常霍爾效應和拓撲超流等深刻的基本物理效應。基于該理論方案，中科大潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組在多年發展起來的超精密激光和磁場調控技術基礎上，成功地構造了拉曼光晶格量子系統，合成二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體。進一步研究發現，合成的自旋軌道耦合和能帶拓撲具有高度可調控性。
“我們在這一合作研究中突破了許多關鍵技術。如超冷原子的制備、拉曼耦合技術的實現、以及磁場環境的保障等。”論文通訊作者之一、中科大教授陳帥說，“這項工作為全世界相關領域的科學家打開了一扇門，門外有許多美麗的風景，有待科學家去發現。”
據了解，在過去五年里，中科大團隊在實驗上實現了一維人工自旋軌道耦合，并取得一系列重要成果。但探索廣泛深刻的新型拓撲量子物態，則必須獲得二維以上的自旋軌道耦合，因此，如何實現高維自旋軌道耦合已成為超冷原子量子模擬最緊迫的核心課題。
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