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      外爾物理量子模擬取得重要進展:中國科大在超冷原子體系實現理想外爾半金屬態

      時間:2021-04-19 10:34:19 來源:中國科大新聞網

        中國科學技術大學潘建偉、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,并構造出有且僅有一對外爾點的理想外爾半金屬能帶結構。該研究成果于4月16日以研究長文(Research Article)的形式發表在國際學術期刊《科學》雜志上 [Science 372, 271-276 (2021)]。由于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,《科學》雜志在同期的視點欄目(Perspective)專門配發了題為“The Weyl side of ultracold matter”的評論文章。


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        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。


        外爾半金屬(Weyl semimetal)是一類重要的拓撲物態,其能帶中的外爾點結構具有許多奇異的性質:它是一種拓撲磁單極子,且總是成對出現,在其附近的低能激發的運動模式符合“外爾費米子”的方程,最早于1929年由德國科學家赫爾曼·外爾提出。有且僅有兩個外爾點的外爾半金屬—理想外爾半金屬,是外爾半金屬“家族”中最為基礎的一員,由其衍生的有相互作用關聯相總是拓撲非平庸的。在凝聚態材料中,盡管近幾年外爾半金屬材料取得諸多重要進展,這種僅有兩個外爾點的外爾半金屬尚未實現。


        超冷原子體系具有環境干凈,高度可控等重要特性,通過超冷原子研究拓撲量子物態目前是量子模擬領域中一個活躍的方向,其中人工合成自旋軌道耦合是實現拓撲物相的一項重要技術。實現外爾半金屬等高維拓撲物態的模擬,三維自旋軌道耦合是其必要條件。這意味著需要構建更加復雜的三維非阿貝爾規范勢,一直是超冷原子量子模擬領域的重大挑戰。


        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于研究前沿。2016年,實驗團隊就和北大理論組合作,提出并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[Science 354, 83-88, (2016)]。近期,北大的理論團隊在原二維系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[Science Bulletin 65, 2080-2085 (2020)]。實現三維自旋軌道耦合和理想外爾半金屬能帶,實驗上面臨兩個技術難題,一是怎樣把二維形式的拉曼耦合拓展到三維結構;二是怎樣利用傳統的二維成像進行三維動量空間的探測。為此,聯合研究團隊設計了巧妙的光路,通過將光晶格“旋轉”45°,并將相位鎖定,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(圖一),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。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[Nat. Phys. 15, 911 (2019)],并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;隨后利用量子淬火動力學提取出該平面能帶的拓撲特征,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。


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        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。


        《科學》雜志的審稿人對這一工作給予高度評價,認為這項工作“為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現象打開了新的方向”(...a very interesting work which opens a new direction of investigating exotic phenomena associated with the Weyl physics for ultracold atoms)、“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,并為冷原子研究提供了新的工具”(...this is the first time that 3D spin-orbit coupling was ever achieved in a cold atom experiment. This, in itself represents a significant progress and an important addition to the cold atom toolbox.)、“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”(Realizing ideal Weyl cones in cold atom systems is thus an extremely valuable objective and will provide an angle of attack that is complementary to solid-state systems.)。


        在該研究工作的基礎上,研究團隊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。本工作的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。該成果有望極大推動量子模擬領域的發展。


        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。


        論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271


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