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科学家首次脱离严格可解模型识别拓扑序

发布:Photonicseditor    |    2017-10-17 16:29    阅读:93
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科学网10月17日上海讯(记者黄辛)今天凌晨,复旦大学物理学系孔令欣团队和万义顿团队与中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、彭新华团队合作的最新成果以研究长文的形式在线发表于国际权威学术期刊《自然·物理》(Nature Physics)杂志。该研究利用自主创新研发的随机绝热法,首次实现了利用量子模拟识别了二维系统中的Z2拓扑序,为未来研究量子物质和实现量子计算打下了重要基础。

该文章第一作者为中科大微观磁共振重点实验室博士生罗智煌,孔令欣、万义顿和彭新华为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、上海市科学技术委员会和中科院的资助。

自二十世纪八十年代在分数量子霍尔系统中首次观测到拓扑序后,物质相的现代概念经历了巨大的发展。近几十年来,凝聚态物理的最前沿都被这类新的具有拓扑序的物质态的研究所主导。这个领域的研究不仅仅对新一代电子元件和超导体会十分重要,而且还在未来容错拓扑量子计算方面有着潜在的应用前景。

自拓扑序的概念提出后,凝聚态物理中对不同相进行区分的这一基本重要问题又面临了一个全新的研究对象。这类新的拓扑序超出了传统的郎道对称破缺理论描述的范畴,对此大量的理论研究工作不断涌现,例如利用基态简并度、拓扑纠缠熵以及简并基态的非阿贝尔几何相(准粒子统计和拓扑自旋性质)等。理论研究表明非阿贝尔几何相表现在模群中的S、T矩阵可以唯一识别二维系统中无手性玻色性拓扑序。然而,拓扑序的实验实现和其拓扑性质的实验探测一直以来面临着巨大的挑战。

研究人员利用量子模拟的方法设计并实验演示了在不需要基态解析解的先验知识——即只有系统哈密顿量形式也能直接测量和重构出具有拓扑特征的S、T矩阵,并识别出拓扑相并获得其拓扑指纹。同时,研究人员在被研究体系哈密顿量中引入偏离精确可解模型的失谐项和破坏所有意外对称性的无序项,实验模拟了一类具有非零关联长度的不可解自旋模型,进一步成功地利用模矩阵的突变实验验证了这类拓扑序存在的鲁棒性以及相空间中的相变点。另外,实验结合并改良了实验组研发的新颖技巧,利用随机绝热法制备线性独立的基态组,制备中仅仅需要被研究体系哈密顿量的近似点群对称性的信息,克服了先前量子模拟实验中需要直接制备按照可解模型求得的基态的困难。

据万义顿介绍,关于这一课题的想法可以追溯到三年前。当时,研究团队在严格可解的模型中得出了初步结果。及后团队将关注点转移到可解模型之外,进行了新的理论研究,最终发现已经探究出来的方法适用于非严格可解模型这样更为一般的情形。于是团队重新设计并进行了整个实验,投入了大量精力。

在谈及理论和实验的关系时,孔令欣感触颇深。然而,对实验数据的最初处理并没有得到理想的结果,双方经过交流探讨后,通过实际操作的反馈,对方法不断改良和优化,最终在实验室中成功实现了模矩阵的重构。

孔令欣表示,这样一个能参与实验全过程的机会尤为难得。“做理论研究很多时候是‘纸上谈兵’,真正的实验实现才明白原来情形往往非常复杂。对理论研究者而言,应该和实验人员多交流,保持开放的思维,培养多元的兴趣,不断去尝试。

来源:科学网

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