北大量子材料中心劉雄軍組和合作者在《科學》上發表重要研究結果

beat365和中國科學技術大學相關研究人員的聯合團隊在超冷原子量子模拟領域取得重要突破。研究團隊理論提出并在實驗上人工合成超冷原子的二維自旋軌道耦合，測定了由自旋軌道耦合導緻的新奇拓撲物性。這一關鍵突破對于研究新奇量子物态，進而推動人們對物質世界的深入理解将帶來重大影響。該合作成果以“研究長文”的形式發表在最新一期的國際權威學術期刊《科學》上（參見鍊接1）。《科學》雜志在同期的觀點欄目（Perspective）配發了題為”Cold atoms 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态中扮演了核心角色。對這些現象的研究導緻産生了自旋電子學，拓撲絕緣體，拓撲超導體等當前凝聚态物理中最重要的前沿研究領域。然而，由于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确研究。這對相關科研帶來很大的挑戰。

同時，随着超冷原子物理量子模拟領域的重大發展，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合，并研究新奇量子物态已成為該領域最重大的前沿課題之一。冷原子有環境幹淨，高度可控等重要特性。在過去五年裡，一維人工自旋軌道耦合在實驗上實現，并取得一系列成果。但探索廣泛深刻的新型拓撲量子物态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拟最緊迫的核心課題。

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。為解決其根本困難，beat365劉雄軍帶領的理論小組提出了“拉曼光晶格的量子系統”。發現基于該系統，不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，并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。基于該理論方案，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發展激光和磁場精确調控技術的基礎上，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。

該工作将對超冷原子和凝聚态物理研究産生重大影響，包括為實現拓撲超流和精确研究量子反常霍爾效應奠定基礎。基于此工作還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，将為超冷原子量子模拟開辟了一條新道路。

該工作在北大和中國科大兩個單位的緊密合作下完成。潘建偉，劉雄軍，陳帥依次為論文的通訊作者。該項目得到國家自然科學基金委，國家科技部，中國科學院，中科院－阿裡巴巴量子計算聯合實驗室等支持。

資料鍊接

1）論文信息：http://science.sciencemag.org/content/354/6308/83.full.pdf+html

2）觀點：http://science.sciencemag.org/content/354/6308/35.full