超冷原子体系 首次实现理想外尔半金属态

来源：科技日报2021-04-22 09:41

  

　　科技日报讯（记者吴长锋）科技日报记者4月19日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陈帅等与北京大学刘雄军等合作，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。研究成果于4月16日以研究长文形式发表在国际学术期刊《科学》杂志上，同时还专门配发了评论文章。

　　外尔半金属是一类重要的拓扑物态，它是一种拓扑磁单极子，且总是成对出现，最早于1929年由德国科学家赫尔曼·外尔提出。有且仅有两个外尔点的外尔半金属—理想外尔半金属，是外尔半金属“家族”中最为基础的一员，但这种仅有两个外尔点的外尔半金属尚未实现。

　　通过超冷原子研究拓扑量子物态，目前是量子模拟领域中一个活跃的方向，也一直是超冷原子量子模拟领域的重大挑战。实验上面临两个技术难题，一是怎样把二维形式的拉曼耦合拓展到三维结构；二是怎样利用传统的二维成像进行三维动量空间的探测。为此，科研人员设计了巧妙的光路，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。此外，研究人员利用体系的对称性，通过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。

　　《科学》杂志的审稿人对这一工作给予高度评价：“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”“是领域中的重要进展，并为冷原子研究提供了新的工具”等。这项研究成果还可以推广到费米子体系，开展强关联拓扑物理的研究，有望极大推动量子模拟领域的发展。

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