中国科学技术大学和北京大学相关研究人员组成的联合团队在超冷原子量子模拟领域取得了重大突破。这一成果意味着，我国在超冷原子量子模拟相关研究方向上已走在国际最前列。相关研究成果发表在最新一期的《科学》杂志上。

　　该团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，测定了由自旋轨道耦合导致的新奇拓扑量子物性。由于该工作“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”, 《科学》杂志在同期的观点栏目专门配发了评论文章。

　　“这一成果从理论到实验都是由中国科学家独立完成的。”论文通讯作者之一、中国科学院院士、中科大教授潘建伟说，该工作将对冷原子和凝聚态物理研究产生重大影响，推动人们对物质世界的深入理解。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。

　　“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。”论文通讯作者之一、北京大学教授刘雄军介绍。

　　然而，由于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挑战。冷原子有环境干净，高度可控等重要特性，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。

　　然而，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拉曼光晶格量子系统。

　　研究人员发现，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，中科大潘建伟、陈帅和邓友金等组成的实验小组在多年发展起来的超精密激光和磁场调控技术基础上，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。

　　“我们在这一合作研究中突破了许多关键技术。如超冷原子的制备、拉曼耦合技术的实现、以及磁场环境的保障等。”论文通讯作者之一、中科大教授陈帅说，“这项工作为全世界相关领域的科学家打开了一扇门，门外有许多美丽的风景，有待科学家去发现。”

　　据了解，在过去五年里，中科大团队在实验上实现了一维人工自旋轨道耦合，并取得一系列重要成果。但探索广泛深刻的新型拓扑量子物态，则必须获得二维以上的自旋轨道耦合，因此，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。

　　来源：科学网