我科学家在超冷原子量子模拟领域获重大突破

人民网北京10月11日电(赵竹青)潘建伟、刘雄军、陈帅等中国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破,成果发表在最新一期的国际权威学术期刊《科学》上,且被评价为“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

这一来自中国科学技术大学和北京大学的联合团队,在国际上首次理论提出现有技术条件下可实现的超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成方案并实验实现,并测定了由自旋轨道耦合导致的新奇拓扑量子物性。

揭示“奇异物质态”奥秘

拓扑物理学是当前炙手可热的研究领域,包括前不久刚刚揭晓的2016年诺贝尔物理学奖就诞生在这一领域。文章第一通讯作者、中国科技大学潘建伟教授介绍,诸如拓扑绝缘体、拓扑超导体等众多新奇的量子现象,均是由于自旋轨道耦合效应而产生的。

自旋轨道耦合描述带电粒子自旋和轨道运动之间的相互作用。潘建伟告诉记者,它是凝聚态物理学中非常重要的物理效应,在多种基本物理现象和新奇量子物态中扮演了核心角色,然而由于现实材料普遍存在难以控制的复杂环境,难以直接进行实验研究。于是,科学家们希望通过建立一种可操纵的物理体系来模拟这一效应。

用冷原子模拟复杂机理

“冷原子被认为是极佳的模拟手段。”潘建伟说,当温度降低到接近绝对零度时,原子将处于一种新的量子物态,并且具有环境干净、高度可控等优点,是进行量子模拟研究非常好的素材。此前,冷原子已被用于研究玻色-爱因斯坦凝聚、超流、量子磁性等前沿领域。诺贝尔奖得主杨振宁也非常看好冷原子领域。

2009年,北京大学教授刘雄军在国际上首次提出了用超冷原子模拟自旋轨道耦合效应的一维理论体系,并在后续得到了实验验证。

“然而,拓扑绝缘体、拓扑超导体这些新型拓扑量子物态必须是在二维以上体系中发生。如何将这一研究拓展到二维,这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。”潘建伟说。

为解决这一根本困难,北京大学刘雄军理论小组于2014年构建出相应的二维理论体系,基于该理论设计,中国科学技术大学潘建伟、陈帅和邓友金等组成的实验小组首次成功合成了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体。凭借实验团队研发的超精密激光和磁场调控技术,克服了国际上以往方案的缺点,获得了非常稳定并且易于调控的超冷原子模拟系统。

打开量子物理“一扇门”

“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。”潘建伟说,这项工作显示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。

《科学》杂志也评论称,这项研究将被其他科学家广泛应用,“也许有些小组在看到这篇文章后已经开始跟进”。

提及下一步的研究计划,潘建伟表示,“未来,我们一方面是进一步完善这项技术,另一方面将用它来模拟量子霍尔效应、拓扑绝缘体等系统,揭示高温超导、高效氮固化等复杂物理系统的机制。还有可能发现新的拓扑态物质。”

“我们的研究好像是打开了一扇门。至于门后究竟会有什么样的动人风景,就要等待科学家们去发现了。”刘雄军说。