近日，中國(guó)科大潘建偉、陳帥等與北京大學(xué)劉雄軍等合作在超冷原子模擬拓?fù)淞孔硬牧戏矫嫒〉昧酥匾M(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次利用超冷原子體系實(shí)現(xiàn)了三維自旋軌道耦合，并構(gòu)造出有且僅有一對(duì)外爾點(diǎn)的理想外爾半金屬能帶結(jié)構(gòu)。
據(jù)了解，在超冷原子自旋軌道耦合的研究方面，中國(guó)科大通過(guò)和北大合作一直處于研究前沿：2016 年，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和北大理論組合作，提出并構(gòu)建了二維拉曼耦合光晶格，實(shí)現(xiàn)了二維自旋軌道耦合拓?fù)淞孔託?近期，北大的理論團(tuán)隊(duì)在原二維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了三維自旋軌道耦合和理想外爾半金屬的新型拉曼光晶格方案，然而該方案在實(shí)驗(yàn)上面臨著兩個(gè)技術(shù)難題：
怎樣把二維形式的拉曼耦合拓展到三維結(jié)構(gòu)?
怎樣利用傳統(tǒng)的二維成像進(jìn)行三維動(dòng)量空間的探測(cè)?
針對(duì)這兩大技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)巧妙光路，通過(guò)將光晶格“旋轉(zhuǎn)”45°，并將相位鎖定，準(zhǔn)確構(gòu)造出理論方案中三維結(jié)構(gòu)的拉曼勢(shì)，合成三維自旋軌道耦合;同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參量合成了有且僅有兩個(gè)外爾點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)。
在探測(cè)方面，研究團(tuán)隊(duì)借鑒了北大組和香港科技大學(xué) G.-B. Jo 組合作提出的虛擬斷層成像法，并應(yīng)用到當(dāng)前的三維光晶格體系。利用體系的對(duì)稱性，通過(guò)調(diào)節(jié)拉曼失諧等效得到 z 方向不同動(dòng)量平面上的自旋紋理，再重構(gòu)出三維動(dòng)量空間的自旋紋理，找到外爾點(diǎn);隨后利用量子淬火動(dòng)力學(xué)提取出該平面能帶的拓?fù)涮卣鳎M(jìn)而確定外爾點(diǎn)的位置。兩種方法互相佐證，印證了理想外爾半金屬能帶的實(shí)現(xiàn)。
除此之外，基于此項(xiàng)工作，研究團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步開展外爾半金屬中更奇特的現(xiàn)象和物理過(guò)程的探索;其技術(shù)方案也可以推廣到費(fèi)米子體系，開展強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)湮锢淼难芯俊?/p>
該研究成果于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表，該工作開啟了超越傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理的外爾型拓?fù)湮锢淼牧孔幽M，有望極大推動(dòng)量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展。相關(guān)審稿人改成果給予高度評(píng)價(jià)：
?為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現(xiàn)象打開了新的方向;
?作為三維自旋軌道耦合在冷原子體系的首次實(shí)現(xiàn)，是領(lǐng)域中的重要進(jìn)展，并為冷原子研究提供了新的工具;
?對(duì)理想外爾點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是非常有價(jià)值的結(jié)果，為固體系統(tǒng)提供了起到互補(bǔ)作用的研究方向。
該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部、安徽省和上海市等的支持。
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