我國學者在超冷原子量子模擬領域取得重大突破

　　二維自旋軌道耦合和拓撲能帶實現示意圖。在鐳射場的作用下，原子在光晶格中發生自旋翻轉的量子隧穿，導致自旋軌道耦合。

　　國際在線消息（記者 單姍）：記者11日獲悉，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》雜誌上。《科學》雜誌評論認為，這項工作“對研究超越傳統凝聚態物理的奇異現象具有重大潛力”。

　　該團隊在國際上首次理論提出並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。論文第一通訊作者、中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉介紹説，這一關鍵突破將對新奇拓撲量子物態的研究，進而推動人們對物質世界的深入理解帶來重大影響。

　　據論文通訊作者之一、北京大學教授劉雄軍介紹，自旋軌道耦合是量子物理學中基本的物理效應，它描述的是粒子自旋和軌道運動之間的相互作用。自旋軌道耦合在自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等凝聚態物理中最前沿研究中扮演關鍵角色。但劉雄軍同時指出，“固體材料普遍存在難以控制的複雜環境，難以進行很多新奇物態的研究，因此科學家們想到在可控的人造量子系統中模擬自旋軌道耦合。”

　　對此，潘建偉表示，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合被國際上認為是最有可能實現新奇物態研究突破的方法之一。所謂超冷原子，是將原子置於一個極低溫環境（接近絕對零度）下的原子狀態。他説，“在過去五年裏，一維人工自旋軌道耦合在實驗上實現，並取得一系列成果。但探索廣泛深刻的新型拓撲量子物態須獲得二維以上的自旋軌道耦合。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。”

　　自旋軌道耦合誘導的不同自旋態的原子團分佈。

　　為此，劉雄軍理論小組提出了拉曼光晶格量子系統，克服了國際上其他方案的缺點。基於該系統，不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，並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。

　　基於該理論方案，中國科學技術大學潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組在經過多年艱苦努力發展起來的超精密鐳射和磁場調控技術的基礎上，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。

　　潘建偉表示，這項工作將對冷原子和凝聚態物理研究産生重大影響，基於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闢了一條新道路。