外尔物理量子模拟取得重要进展

2021-04-20 09:09 常河 光明日报

本报合肥4月19日电(记者常河)

中国科学技术大学潘建伟、陈帅等与北京大学刘雄军等合作,在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得了重要进展。研究团队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。该研究成果于4月16日以研究长文的形式发表在国际学术期刊《科学》杂志上。

外尔半金属是一类重要的拓扑物态,其能带中的外尔点结构具有许多奇异的性质:它是一种拓扑磁单极子,且总是成对出现,在其附近的低能激发的运动模式符合“外尔费米子”的方程,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”中最基础的一员。在凝聚态材料中,尽管近几年外尔半金属材料取得诸多重要进展,这种仅有两个外尔点的外尔半金属尚未实现。

超冷原子体系具有环境干净,高度可控等重要特性,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,其中人工合成自旋轨道耦合是实现拓扑物相的一项重要技术。实现外尔半金属等高维拓扑物态的模拟,三维自旋轨道耦合是其必要条件。这意味着需要构建更加复杂的三维非阿贝尔规范势,一直是超冷原子量子模拟领域的重大挑战。

由于该工作开启了超越传统凝聚态物理的外尔型拓扑物理的量子模拟,《科学》杂志在同期的视点栏目专门配发了评论文章。《科学》杂志的审稿人对这一工作给予了高度评价,认为这项工作“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”“作为三维自旋轨道耦合在冷原子体系的首次实现,是领域中的重要进展,并为冷原子研究提供了新的工具”“对理想外尔点的实现是非常有价值的结果,为固体系统提供了起到互补作用的研究方向”。

据介绍,在该研究工作的基础上,研究团队将进一步开展外尔半金属中更奇特的现象和物理过程的探索。本工作的技术方案也可以推广到费米子体系,开展强关联拓扑物理的研究。该成果有望极大推动量子模拟领域的发展。

责编:张阳
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