我國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破

據中國科大新聞網10月11日消息，中國科學技術大學和北京大學相關研究人員組成的聯合團隊日前在超冷原子量子模擬領域取得重大突破，在國際上首次理論提出並實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。這一關鍵突破將對促進新奇拓撲量子物態的研究，進而推動人們對物質世界的深入理解帶來重大影響。該合作成果以“研究長文”的形式發表在國際權威學術期刊《科學》上。由於該工作“對研究超越傳統凝聚態物理的奇異現象具有重大潛力 ”，《科學》雜誌在同期的“觀點”欄目專門配發評論文章。

自旋軌道耦合是量子物理學中基本的物理效應，它在多種基本物理現象和新奇量子物態中扮演了核心角色。對這些現象的研究產生了自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等當前凝聚態物理中最重要的前沿研究領域。然而，由於普遍存在難以控制的複雜環境，很多重要的新奇物理難以在固體材料中進行精確研究，對相關科研工作帶來很大挑戰。

“冷原子有環境乾淨、高度可控等重要特性。”潘建偉説，隨着超冷原子物理量子模擬領域的不斷發展，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合並研究新奇量子物態已成為該領域最重大的前沿課題之一。冷原子有環境乾淨、高度可控等重要特性。過去5年裏，一維人工自旋軌道耦合在實驗上實現並取得一系列成果，但探索廣泛深刻的新型拓撲量子物態須獲得二維以上的自旋軌道耦合。如何實現高維自旋軌道耦合已成為超冷原子量子模擬最緊迫的核心課題。

在超冷原子中實現高維自旋軌道耦合在理論和實驗上都是極具挑戰性的問題，國際上多個團隊均為此付出了大量努力。為解決這一根本困難，北京大學教授劉雄軍帶領的理論小組提出了“拉曼光晶格量子系統”，並發現基於該系統不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，而且能得到如量子反常霍爾效應和拓撲超流等深刻的基本物理效應。基於該理論方案，中國科大教授潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組在經過多年艱苦努力發展起來的超精密激光和磁場調控技術的基礎上，成功構造了拉曼光晶格量子系統，合成了二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體。進一步研究發現，合成的自旋軌道耦合和能帶拓撲具有高度可調控性。

圖1：二維自旋軌道耦合和拓撲能帶實現示意圖。在激光場的作用下，原子在光晶格中發生自旋翻轉的量子隧穿，導致自旋軌道耦合。

圖2：自旋軌道耦合誘導的不同自旋態的原子團分佈。

圖3：測量到的高對稱點自旋態分佈以及對應的能帶陳省身拓撲數與理論計算相符。

該工作將對冷原子和凝聚態物理研究產生重大影響，基於此突破可研究全新的拓撲物理，包括固體系統中難以觀察到的玻色子拓撲效應等，從而為超冷原子量子模擬開闢出一條新的道路。該項突破也顯示出我國在超冷原子量子模擬相關研究方向上已走在國際最前列。

潘建偉、劉雄軍、陳帥依次為論文的通訊作者。該項目得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、教育部、中國科學院和中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室等的支持。

專家指出，此前我國在鐵基超導、外爾費米子等研究雖已走在世界前列，但它們都是由外國科學家提出理論。這次超冷原子量子模擬的重大突破則是由中國科學家提出理論並在實驗中實現的。

超冷原子基於人工自旋軌道耦合量子模擬的發展背景

（來源：中國科大新聞網）

自旋軌道耦合描述粒子自旋和軌道運動之間的相互作用。舉個形象例子，一個帶電粒子在外磁場中運動時會受到一個與速度方向垂直的力（洛倫茲力），導致運動偏轉。改變外磁場或者粒子的速度方向都會改變偏轉方向。於是考慮如下情況，粒子存在兩種不同的內秉自旋態：自旋朝上和朝下。當粒子處在自旋朝上的狀態時，感受到一個方向朝上的磁場；而處在自旋朝下時，感受到一個方向朝下的磁場。那麼對於該運動粒子，處在自旋朝上和朝下的狀態會受到完全相反的洛倫茲力，導致相反的軌道偏轉。從而自旋和軌道耦合起來。這裏的關鍵是，與自旋有關的磁場並不是通常理解的外加真實磁場，而是通過操控由人工合成的模擬磁場或規範場。因此對不帶電的中性超冷原子，要產生人工自旋軌道耦合，關鍵要合成與自旋有關的人工規範場。相關理論和實驗研究大致可分為如下幾個階段。

第一階段：早期理論。2003到2004年，因斯布魯克大學Jaksch 和 Zoller [1]、維爾紐斯大學Juzeliunas和Ohberg [2]分別在光晶格和超冷費米氣體中提出與自旋無關的人工磁場的理論方案。2004年底，劉雄軍等人將後者方案推廣，引入自旋，理論提出合成自旋有關的人工規範場，從而產生人工自旋軌道耦合 [3]。沿着類似思路，劉雄軍等人[4]和華南師大朱詩亮等人[5]於2006年分別獨立在超冷原子中提出自旋霍爾效應的理論模型。這裏提出的自旋有關的人工規範場仍為特殊情形。在2005年，Osterloh等人[6]和Ruseckas等人[7]分別在光晶格中和連續超冷原子氣中首先提出更具一般性的被稱作為非阿貝爾人工規範場的理論方案。基於這些方案，理論上可以實現不同維度和類型的人工自旋軌道耦合。

第二階段：一維自旋軌道耦合的實驗和理論發展。早期的人工自旋軌道耦合方案在實驗上並不容易實現。2008-2009年，劉雄軍等人指出在簡單的Lambda體系中通過拉曼耦合可實現一維人工自旋軌道耦合[8]。這個體系被普遍用到實驗中來合成人工自旋軌道耦合和規範場。2009年，美國國家標準技術局（NIST）的Spielman小組合成人工磁場 [9]，並用中性原子模擬帶電粒子在電磁場中的行為 [10]。在此基礎上，2011年，他們率先人工合成了一維自旋軌道耦合的玻色愛因斯坦凝聚體 [11]。該研究為超冷原子量子模擬開闢了新方向，並引起了自旋軌道耦合效應的研究熱潮。迄今已有約10個研究小組報道實現了一維自旋軌道耦合和人工規範場，包括NIST、麻省理工、德國慕尼黑MPQ等國際著名研究機構。

中國科學技術大學潘建偉、陳帥和鄧友金等的實驗小組經過多年努力，在發展了對於激光和磁場精密操控的技術基礎上，致力於超冷原子量子模擬，人工規範場和自旋軌道耦合方向的研究。2009年開始搭建超冷原子量子模擬實驗裝置，2010年實現了國內第一個光阱中的玻色－愛因斯坦凝聚體。隨後，開始致力於人工合成規範場和自旋軌道耦合的實驗研究，並至2011年掌握了拉曼耦合技術，實現了一維自旋軌道耦合規範場的人工合成。

在一維自旋軌道耦合的研究階段，中科大實驗小組與清華大學翟薈理論小組進行了深入系統的合作研究。主要包括，2012年，系統性的研究了玻色愛因斯坦凝聚體在自旋軌道耦合規範場中的集體震盪模式，發現了震盪的非簡諧性，自旋震盪與動量震盪的關聯等 [12]。2014年，在沒有理論預言的前提下，實驗上確定了一維自旋軌道耦合的玻色氣體的有限温度下的相圖，這項發現使人們能夠更清楚地理解自旋-軌道耦合的玻色氣體的基本特性  [13]。

在同一時期，山西大學的張靖實驗小組與清華大學翟薈理論小組合作，也取得了一系列重要進展。他們第一個在簡併費米氣體中實驗合成一維自旋軌道耦合 [14]。緊隨其後麻省理工學院Zwierlein實驗組也在費米氣中報道了實現 [15]。隨後張靖與翟薈的小組又通過調節原子之間的相互作用與自旋軌道耦合相結合，實現了分子的合成 [16]。

第三階段：高維自旋軌道耦合體系的理論研究。在一維自旋軌道耦合實驗持續開展的同時，理論上不斷提出新的高維自旋軌道耦合實現方案。如包括德州大學達拉斯分校張傳為等人對Tripod方案的改進 [17]；Campbell等人提出的多能級環形耦合方案 [18]；許志芳，尤力和Ueda提出的磁脈衝耦合方案 [19]；劉雄軍等人提出的拉曼光晶格方案 [20]。另一方面，基於自旋軌道耦合，大量新奇物理被研究，包括玻色子磁性相和條紋相，量子反常霍爾效應，拓撲絕緣態，拓撲超流與Majorana費米子， BCS-BEC轉換等一系列重要的現象。

第四階段：當前進展。2014年起，中國科大潘建偉、陳帥及鄧友金小組和北京大學劉雄軍小組合作；山西大學張靖與香港中文大學周琦合作，同時獨立開展二維自旋軌道耦合的理論和實驗研究。張靖等人率先在費米子中報道二維自旋軌道耦合的實現（Nature Physics 2016）[21]。中科大與北京大學聯合團隊率先在光晶格的玻色子中人工合成新的二維自旋軌道耦合，並觀察到自旋軌道耦合導致的能帶拓撲等現象 [22]。這些重要進展表明中國在人工自旋軌道耦合量子模擬的研究走在國際最前列，並將極大推動這個領域的未來發展。

參考文獻

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[16] Z. Fu et al., Nat. Phys. 10，110(2014).　

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[21] L. Huang et al., Nat. Phys. 12, 540 (2016).

[22] Z. Wu et al., Science 354, 83 (2016).