[video:20161012超冷原子量子模擬取得重大突破]
　　中國科學技術大學和北京大學相關研究人員組成的聯(lián)合團隊日前在超冷原子量子模擬領域取得重大突破，在國際上首次理論提出并實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。這一關鍵突破將對促進新奇拓撲量子物態(tài)的研究，進而推動人們對物質世界的深入理解帶來重大影響。該合作成果以“研究長文”的形式發(fā)表在國際權威學術期刊《科學》上。由于該工作“對研究超越傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理的奇異現象具有重大潛力 ”，《科學》雜志在同期的“觀點”欄目專門配發(fā)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態(tài)中扮演了核心角色。對這些現象的研究產生了自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等當前凝聚態(tài)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復雜環(huán)境，很多重要的新奇物理難以在固體材料中進行精確研究，對相關科研工作帶來很大挑戰(zhàn)。
　　同時，隨著超冷原子物理量子模擬領域的不斷發(fā)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態(tài)已成為該領域最重大的前沿課題之一。冷原子有環(huán)境干凈、高度可控等重要特性。過去5年里，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態(tài)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擬最緊迫的核心課題。
　　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(zhàn)性的問題，國際上多個團隊均為此付出了大量努力。為解決這一根本困難，北京大學教授劉雄軍帶領的理論小組提出了“拉曼光晶格量子系統(tǒng)”，并發(fā)現基于該系統(tǒng)不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，而且能得到如量子反?；魻栃屯負涑鞯壬羁痰幕疚锢硇??；谠摾碚摲桨?，中國科大教授潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組在經過多年艱苦努力發(fā)展起來的超精密激光和磁場調控技術的基礎上，成功構造了拉曼光晶格量子系統(tǒng)，合成了二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體。進一步研究發(fā)現，合成的自旋軌道耦合和能帶拓撲具有高度可調控性。
　　該工作將對冷原子和凝聚態(tài)物理研究產生重大影響，基于此突破可研究全新的拓撲物理，包括固體系統(tǒng)中難以觀察到的玻色子拓撲效應等，從而為超冷原子量子模擬開辟出一條新的道路。該項突破也顯示出我國在超冷原子量子模擬相關研究方向上已走在國際最前列。
　　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員會、科學技術部、教育部、中國科學院和中科院-阿里巴巴量子計算聯(lián)合實驗室等的支持。
　　相關鏈接： 
　　《科學》雜志論文
　　《科學》評論文章
　　二維自旋軌道耦合和拓撲能帶實現示意圖。在激光場作用下，原子在光晶格中發(fā)生自旋翻轉的量子隧穿，導致自旋軌道耦合。
　　自旋軌道耦合誘導的不同自旋態(tài)的原子團分布
　　測量到的高對稱點自旋態(tài)分布以及對應的能帶陳省身拓撲數與理論計算相符n>