我国科学家首次利用超冷原子体系实现三维自旋轨道耦合

来源：C114中国通信网　2021-04-21 14:27:56

来自中国科大的消息显示，近日，中国科大潘建伟、陈帅等与北京大学刘雄军等合作在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得了重要进展。研究团队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。

据了解，在超冷原子自旋轨道耦合的研究方面，中国科大通过和北大合作一直处于研究前沿：2016 年，实验团队和北大理论组合作，提出并构建了二维拉曼耦合光晶格，实现了二维自旋轨道耦合拓扑量子气;近期，北大的理论团队在原二维系统的基础上提出了三维自旋轨道耦合和理想外尔半金属的新型拉曼光晶格方案，然而该方案在实验上面临着两个技术难题：

怎样把二维形式的拉曼耦合拓展到三维结构?

怎样利用传统的二维成像进行三维动量空间的探测?

针对这两大技术难题，研究团队设计巧妙光路，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。

图一：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。

在探测方面，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，并应用到当前的三维光晶格体系。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，再重构出三维动量空间的自旋纹理，找到外尔点;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。两种方法互相佐证，印证了理想外尔半金属能带的实现。

图二：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。

除此之外，基于此项工作，研究团队还将进一步开展外尔半金属中更奇特的现象和物理过程的探索;其技术方案也可以推广到费米子体系，开展强关联拓扑物理的研究。

该研究成果于近日在国际学术期刊《科学》上发表，该工作开启了超越传统凝聚态物理的外尔型拓扑物理的量子模拟，有望极大推动量子模拟领域的发展。相关审稿人改成果给予高度评价：

・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。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部、安徽省和上海市等的支持。

标签：三维自旋轨道耦合超冷原子

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