我国学者在超冷原子量子模拟领域取得重大突破

 

　　自旋轨道耦合是量子物理学中基本的物理效应。它在多种基本物理现象和新奇量子物态中扮演了核心角色。这些现象导致产生了自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等当前凝聚态物理中最重要的前沿研究领域。然而，由于普遍存在难以控制的复杂环境，很多重要的新奇物理难以在固体材料中做精确研究。这对相关科研带来很大的挑战。

 

　　同时，随着超冷原子物理量子模拟领域的重大发展，在超冷原子中实现人工自旋轨道耦合，并研究新奇量子物态已成为该领域最重大的前沿课题之一。冷原子有环境干净，高度可控等重要特性。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。

 

　　在超冷原子中实现高维自旋轨道耦合在理论和实验上都是极具挑战性的问题。国际上多个团队均为此付出了许多努力。为解决这一根本困难，北京大学刘雄军理论小组提出了所谓的拉曼光晶格量子系统。发现基于该系统，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。该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。