我国学者在超冷原子量子模拟领域取得重大突破

　　二维自旋轨道耦合和拓扑能带实现示意图。在激光场的作用下，原子在光晶格中发生自旋翻转的量子隧穿，导致自旋轨道耦合。

　　国际在线消息（记者 单姗）：记者11日获悉，中国科学技术大学和北京大学相关研究人员组成的联合团队在超冷原子量子模拟领域取得了重大突破。这一成果意味着，我国在超冷原子量子模拟相关研究方向上已走在国际最前列。相关研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上。《科学》杂志评论认为，这项工作“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

　　该团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，测定了由自旋轨道耦合导致的新奇拓扑量子物性。论文第一通讯作者、中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟介绍说，这一关键突破将对新奇拓扑量子物态的研究，进而推动人们对物质世界的深入理解带来重大影响。

　　据论文通讯作者之一、北京大学教授刘雄军介绍，自旋轨道耦合是量子物理学中基本的物理效应，它描述的是粒子自旋和轨道运动之间的相互作用。自旋轨道耦合在自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等凝聚态物理中最前沿研究中扮演关键角色。但刘雄军同时指出，“固体材料普遍存在难以控制的复杂环境，难以进行很多新奇物态的研究，因此科学家们想到在可控的人造量子系统中模拟自旋轨道耦合。”

　　对此，潘建伟表示，在超冷原子中实现人工自旋轨道耦合被国际上认为是最有可能实现新奇物态研究突破的方法之一。所谓超冷原子，是将原子置于一个极低温环境（接近绝对零度）下的原子状态。他说，“在过去五年里，一维人工自旋轨道耦合在实验上实现，并取得一系列成果。但探索广泛深刻的新型拓扑量子物态须获得二维以上的自旋轨道耦合。如何实现高维自旋轨道耦合已成为超冷原子量子模拟最紧迫的核心课题。”

　　自旋轨道耦合诱导的不同自旋态的原子团分布。

　　为此，刘雄军理论小组提出了拉曼光晶格量子系统，克服了国际上其他方案的缺点。基于该系统，不仅可完好地实现二维人工自旋轨道耦合，并能得到如量子反常霍尔效应和拓扑超流等深刻的基本物理效应。

　　基于该理论方案，中国科学技术大学潘建伟、陈帅和邓友金等组成的实验小组在经过多年艰苦努力发展起来的超精密激光和磁场调控技术的基础上，成功地构造了拉曼光晶格量子系统，合成二维自旋轨道耦合的玻色－爱因斯坦凝聚体。进一步研究发现，合成的自旋轨道耦合和能带拓扑具有高度可调控性。

　　潘建伟表示，这项工作将对冷原子和凝聚态物理研究产生重大影响，基于此工作可研究全新的拓扑物理，包括固体系统中难以观察到的玻色子拓扑效应等，从而为超冷原子量子模拟开辟了一条新道路。