中国科大潘建伟团队《Science》：超冷原子上实现理想外尔半金属！

外尔半金属是三维无间隙拓扑相，在体带中存在外尔锥。根据格点论，外尔锥必须成对出现，锥的最小数目为两个。只有两个外尔锥的半金属，是理想外尔半金属(IWSM)。

在此，来自中国科学技术大学的陈帅&潘建伟，北京大学刘雄军等研究者，报道了通过设计三维自旋-轨道耦合，在超冷原子上实现IWSM带的实验结果。相关论文以题为“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”发表在Science上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271

在外尔半金属中，价带和导带在节点处相遇，在节点处准粒子，具有外尔哈密顿量和线性色散。一个外尔节点对应一个拓扑单极子，其电荷等于包围该节点的金属费米表面的Chern数；这个电荷决定了；结点处外尔费米子的手性。根据Nielsen-Ninomiyano-go定理，外尔节点成对出现，每一对中的两个节点具有相反的手性，因此，半金属中外尔节点的最小数目是2。只有两个外尔节点的半金属是理想外尔半金属(IWSM)，是外尔半金属族中最基本的相。

因为IWSM中的两个节点，不能简单地分开，所以IWSM产生的任何交互相都是非平庸的。因此，IWSMs可以存在非相互作用的外尔物理现象，如手性异常，以及多体现象，如时空超对称性和非-阿贝尔手性马约拉纳模式，这些现象在具有较多外尔点的相互作用的外尔半金属中，可能并不受欢迎。尽管各种各样的外尔和类似外尔的相已经被广泛报道，包括II型外尔半金属、三简并半金属和磁性外尔半金属，但对IWSMs的直接观察仍然很困难。

同时，各种拓扑模型的实现，一直是利用超冷原子进行量子模拟的积极追求。尤其是，具有合成自旋轨道(SO)相互作用的超冷量子气体，为研究奇异拓扑现象，提供了原始平台。SO在不同维度合成的相互作用，有不同的特征。一维(1D) SO耦合对应于阿贝尔规范势，而二维SO耦合对应于非阿贝尔规范势，包括二维Dirac和Rashba类型；为了在光学拉曼晶格中，实现二维量子反常霍尔(QAH)模型，人们一直在积极研究Dirac类型。以3D非阿贝尔规范势为特征的三维SO相互作用，是实现高维拓扑物质的重要组成部分。尤其是，在外尔半金属中涌现的外尔哈密顿量，描述了三维外尔型SO耦合，其实现一直是量子模拟领域的一个挑战。

在此，研究者利用3D布洛赫动量q-空间中的哈密顿量，实现并探测了超冷⁸⁷Rb原子的3D SO耦合和IWSM带。固定量子点处的哈密顿量子点，简化为2D量子点模型，其拓扑结构由量子点调制。在研究者的实验中，通过调节产生3D耦合的光跃迁的频率，来调节外尔点的数目。研究者采用虚拟切片重建成像技术，测量系统的猝灭动力学，清楚地解析了外尔点。

图1 实验装置和3D SOC。

图2 用平衡法观察IWSM相的相图。

图3 用平衡方法观察带有四个外尔节点的半金属带。

图4 用猝灭动力学测量韦尔节点。

综上所述，这里的3D SO耦合和IWSM带协议是通用的，可以立即应用于费米系统，其中各种相关相，可以通过调节强相互作用访问。尤其是，拓扑超流态可以通过三维SO-耦合费米气体实现，其平均场理论捕获了基本物理，具有更高的可靠性1D或2D SO-耦合系统。（文：水生）