我國在超冷原子量子模擬領域取得重大突破

中國科大-北大聯合團隊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。

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在超冷原子量子模擬領域取得重大突破。中國科大-北大聯合團隊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（Research Article）的形式發表在最新一期的國際權威學術期刊《科學》上[Science, 354, 83-88, (2016)]。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（Perspective）專門配發了題為「Coldatoms twisting spin and momentum」的評論文章。

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。這些現象導致產生了自旋電子學，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做精確研究。這對相關科研帶來很大的挑戰。同時，隨著超冷原子物理量子模擬領域的重大發展，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。在過去五年里，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許多努力。為解決這一根本困難，北京大學劉雄軍理論小組提出了所謂的拉曼光晶格量子系統。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，並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，中國科學技術大學潘建偉、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，成功地構造了拉曼光晶格量子系統，合成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。

該工作將對冷原子和凝聚態物理研究產生重大影響，基於此工作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了一條新道路。該工作在中國科大和北京大學兩個單位的緊密合作下完成。這項工作顯示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，陳帥依次為文章的通訊作者。該項目得到國家自然科學基金委，科技部，教育部，中科院和中科院－阿里巴巴量子計算聯合實驗室等支持。

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