千龙网北京10月14日讯 中国科学院发布消息，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日前在超冷原子量子模拟领域取得重大突破，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。这一关键突破将对促进新奇拓扑量子物态的研究，进而推动人们对物质世界的深入理解带来重大影响。该合作成果以“研究长文”的形式发表在国际权威学术期刊《科学》上。
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。对这些现象的研究产生了自旋电子学、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。然而，由于普遍存在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进行精确研究，对相关科研工作带来很大挑战。
同时，随着超冷原子物理量子模拟领域的不断发展，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。冷原子有环境干净、高度可控等重要特性。过去5年里，一维人工自旋轨道耦合在实验上实现并取得一系列成果，但探索广泛深刻的新型拓扑量子物态须获得二维以上的自旋轨道耦合。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。
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大量努力。为解决这一根本困难，北京大学教授刘雄军带领的理论小组提出了“拉曼光晶格量子系统”，并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，而且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，中国科大教授潘建伟、陈帅和邓友金等组成的实验小组在经过多年艰苦努力发展起来的超精密激光和磁场调控技术的基础上，成功构造了拉曼光晶格量子系统，合成了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。
该工作将对冷原子和凝聚态物理研究产生重大影响，基于此突破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出一条新的道路。该项突破也显示出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。
该项目得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、教育部、中国科学院和中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室等的支持。
