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外尔物理量子模拟取得重要进展:中国科大在超冷原子体系实现理想外尔半金属态

发布时间:2020-04-21     来源于:上海研究院

中国(guo)科学(xue)(xue)技术大学(xue)(xue)潘建(jian)伟、陈帅等与北京大学(xue)(xue)刘雄军等合(he)作(zuo),在超(chao)冷原(yuan)子(zi)模拟拓(tuo)扑(pu)量子(zi)材料方(fang)面(mian)取得了重要进展。研(yan)(yan)究团(tuan)队在国(guo)际上首次(ci)利用超(chao)冷原(yuan)子(zi)体(ti)系实现了三维(wei)自旋(xuan)轨道(dao)耦(ou)合(he),并构(gou)造出(chu)有(you)(you)且仅有(you)(you)一(yi)对外尔点(dian)的(de)理(li)想(xiang)外尔半(ban)金属(shu)能带结构(gou)。该研(yan)(yan)究成果于(yu)4月(yue)16日以(yi)研(yan)(yan)究长文(Research Article)的(de)形式发表在国(guo)际学(xue)(xue)术期(qi)刊(kan)《科学(xue)(xue)》杂(za)志上 [Science 372, 271-276 (2021)]。由于(yu)该工(gong)作(zuo)开启(qi)了超(chao)越传(chuan)统凝(ning)聚态(tai)物理(li)的(de)外尔型拓(tuo)扑(pu)物理(li)的(de)量子(zi)模拟,《科学(xue)(xue)》杂(za)志在同期(qi)的(de)视点(dian)栏(lan)目(mu)(Perspective)专(zhuan)门配发了题为“The Weyl side of ultracold matter”的(de)评(ping)论文章。

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   图一(yi):A,三维自旋轨道耦合(he)装置示意图。B,实验构(gou)造的三维拉曼势结构(gou),导致原子在格点之间的自旋翻(fan)转(zhuan)隧穿。

外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu)(Weyl semimetal)是(shi)一(yi)类(lei)重(zhong)要(yao)的(de)(de)拓(tuo)扑(pu)物态,其能带中(zhong)的(de)(de)外(wai)尔(er)点(dian)结(jie)构具有(you)(you)许(xu)多奇(qi)异的(de)(de)性(xing)质:它是(shi)一(yi)种拓(tuo)扑(pu)磁(ci)单极子,且总是(shi)成(cheng)对出现,在其附近(jin)的(de)(de)低(di)能激发(fa)的(de)(de)运(yun)动(dong)模式符合“外(wai)尔(er)费米子”的(de)(de)方程,最早(zao)于1929年由德国科学家(jia)赫尔(er)曼·外(wai)尔(er)提出。有(you)(you)且仅有(you)(you)两(liang)个外(wai)尔(er)点(dian)的(de)(de)外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu)—理想(xiang)外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu),是(shi)外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu)“家(jia)族(zu)”中(zhong)最为基础的(de)(de)一(yi)员,由其衍生的(de)(de)有(you)(you)相互(hu)作用关联(lian)相总是(shi)拓(tuo)扑(pu)非平(ping)庸(yong)的(de)(de)。在凝聚态材料中(zhong),尽管(guan)近(jin)几年外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu)材料取(qu)得诸多重(zhong)要(yao)进展,这种仅有(you)(you)两(liang)个外(wai)尔(er)点(dian)的(de)(de)外(wai)尔(er)半(ban)(ban)金(jin)(jin)(jin)属(shu)尚未(wei)实现。

超冷(leng)原(yuan)子(zi)(zi)体系具有环境(jing)干净,高(gao)度可控(kong)等重要(yao)(yao)特性,通过超冷(leng)原(yuan)子(zi)(zi)研究(jiu)拓(tuo)(tuo)扑(pu)(pu)量子(zi)(zi)物(wu)态(tai)目(mu)前(qian)是量子(zi)(zi)模(mo)拟领(ling)(ling)域中(zhong)一个(ge)活(huo)跃的(de)(de)方向,其中(zhong)人工(gong)合成自旋轨道(dao)耦合是实(shi)现(xian)拓(tuo)(tuo)扑(pu)(pu)物(wu)相(xiang)的(de)(de)一项重要(yao)(yao)技术。实(shi)现(xian)外尔半金属等高(gao)维拓(tuo)(tuo)扑(pu)(pu)物(wu)态(tai)的(de)(de)模(mo)拟,三(san)维自旋轨道(dao)耦合是其必要(yao)(yao)条件。这意味着需(xu)要(yao)(yao)构建更加(jia)复(fu)杂的(de)(de)三(san)维非阿贝尔规(gui)范势,一直是超冷(leng)原(yuan)子(zi)(zi)量子(zi)(zi)模(mo)拟领(ling)(ling)域的(de)(de)重大挑(tiao)战。

在(zai)超冷原子自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轨道耦(ou)(ou)合(he)(he)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)方面(mian),中(zhong)国(guo)科大通(tong)(tong)(tong)过和北大合(he)(he)作(zuo)一(yi)(yi)直(zhi)处(chu)于(yu)研(yan)(yan)究(jiu)前(qian)沿。2016年,实(shi)(shi)验(yan)团(tuan)(tuan)队就和北大理论组(zu)合(he)(he)作(zuo),提(ti)出并构(gou)(gou)建了(le)(le)二(er)(er)维拉(la)曼耦(ou)(ou)合(he)(he)光(guang)(guang)(guang)晶(jing)格(ge)(ge),实(shi)(shi)现了(le)(le)二(er)(er)维自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轨道耦(ou)(ou)合(he)(he)拓扑量子气[Science 354,83-88, (2016)]。近期,北大的(de)(de)理论团(tuan)(tuan)队在(zai)原二(er)(er)维系统(tong)的(de)(de)基础上提(ti)出了(le)(le)三(san)维自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轨道耦(ou)(ou)合(he)(he)和理想外尔(er)(er)半金(jin)属的(de)(de)新型拉(la)曼光(guang)(guang)(guang)晶(jing)格(ge)(ge)方案(an)[Science Bulletin 65, 2080-2085 (2020)]。实(shi)(shi)现三(san)维自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轨道耦(ou)(ou)合(he)(he)和理想外尔(er)(er)半金(jin)属能带(dai),实(shi)(shi)验(yan)上面(mian)临两个技术难题,一(yi)(yi)是(shi)怎样把二(er)(er)维形式的(de)(de)拉(la)曼耦(ou)(ou)合(he)(he)拓展到(dao)三(san)维结构(gou)(gou);二(er)(er)是(shi)怎样利用传统(tong)的(de)(de)二(er)(er)维成像(xiang)进(jin)行三(san)维动(dong)量空间(jian)的(de)(de)探测(ce)。为此(ci),联合(he)(he)研(yan)(yan)究(jiu)团(tuan)(tuan)队设(she)计了(le)(le)巧妙(miao)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)路(lu),通(tong)(tong)(tong)过将光(guang)(guang)(guang)晶(jing)格(ge)(ge)“旋(xuan)(xuan)(xuan)转”45°,并将相位锁(suo)定,准(zhun)确构(gou)(gou)造出理论方案(an)中(zhong)三(san)维结构(gou)(gou)的(de)(de)拉(la)曼势,合(he)(he)成三(san)维自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轨道耦(ou)(ou)合(he)(he)(图(tu)一(yi)(yi)),同(tong)(tong)时通(tong)(tong)(tong)过调(diao)节(jie)实(shi)(shi)验(yan)参量合(he)(he)成了(le)(le)有(you)(you)且仅有(you)(you)两个外尔(er)(er)点(dian)(dian)的(de)(de)能带(dai)结构(gou)(gou)。在(zai)探测(ce)方面(mian),研(yan)(yan)究(jiu)团(tuan)(tuan)队借鉴(jian)了(le)(le)北大组(zu)和香港科技大学G.-B. Jo组(zu)合(he)(he)作(zuo)提(ti)出的(de)(de)虚拟断(duan)层(ceng)成像(xiang)法[Nat. Phys. 15, 911 (2019)],并应用到(dao)当前(qian)的(de)(de)三(san)维光(guang)(guang)(guang)晶(jing)格(ge)(ge)体系。利用体系的(de)(de)对称性,通(tong)(tong)(tong)过调(diao)节(jie)拉(la)曼失谐(xie)等效得到(dao)z方向不同(tong)(tong)动(dong)量平面(mian)上的(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)纹理,再重构(gou)(gou)出三(san)维动(dong)量空间(jian)的(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)纹理,找到(dao)外尔(er)(er)点(dian)(dian);随后利用量子淬火动(dong)力学提(ti)取出该平面(mian)能带(dai)的(de)(de)拓扑特征,进(jin)而确定外尔(er)(er)点(dian)(dian)的(de)(de)位置。两种方法互(hu)相佐证,印证了(le)(le)理想外尔(er)(er)半金(jin)属能带(dai)的(de)(de)实(shi)(shi)现。

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图二:A,通(tong)过虚拟(ni)断层成像法重构三维自旋纹(wen)理,找到两个(ge)外尔(er)点(dian)的(de)位置。B,通(tong)过量子淬火动力学对外尔(er)点(dian)位置的(de)标定。

《科(ke)学》杂志的(de)(de)审稿人(ren)对这一(yi)工(gong)作给予高度评价,认为这项(xiang)工(gong)作“为冷原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)体(ti)系研(yan)究(jiu)(jiu)外(wai)尔物(wu)理中(zhong)的(de)(de)新(xin)奇现(xian)象打开了新(xin)的(de)(de)方向”(...a very interesting work which opens a new direction of investigating exotic phenomena associated with the Weyl physics for ultracold atoms)、“作为三维自旋(xuan)轨道耦合在冷原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)体(ti)系的(de)(de)首次实现(xian),是领域中(zhong)的(de)(de)重要进(jin)展,并为冷原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)研(yan)究(jiu)(jiu)提供了新(xin)的(de)(de)工(gong)具(ju)”(...this is the first time that 3D spin-orbit coupling was ever achieved in a cold atom experiment. This, in itself represents a significant progress and an important addition to the cold atom toolbox.)、“对理想外(wai)尔点的(de)(de)实现(xian)是非常有价值的(de)(de)结果,为固体(ti)系统提供了起到互补作用的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)方向”(Realizing ideal Weyl cones in cold atom systems is thus an extremely valuable objective and will provide an angle of attack that is complementary to solid-state systems.)。

在(zai)该研(yan)究工(gong)作的(de)基础上,研(yan)究团队将进一(yi)步开展外尔半(ban)金属中(zhong)更(geng)奇特的(de)现象和物理过程(cheng)的(de)探索。本工(gong)作的(de)技术方案也可(ke)以推(tui)广(guang)到(dao)费米子体系,开展强(qiang)关(guan)联拓(tuo)扑物理的(de)研(yan)究。该成果(guo)有望极大(da)推(tui)动(dong)量子模拟领域的(de)发展。

该研究(jiu)工作得(de)到了科(ke)技部、国(guo)家自然科(ke)学基金(jin)委、中科(ke)院、教育部、安徽省和上海市(shi)等的支持。

论文链接:

 

(合肥微尺(chi)度物(wu)质(zhi)科(ke)学国家(jia)研(yan)究中心(xin)、物(wu)理学院(yuan)、中科(ke)院(yuan)量子(zi)信(xin)息(xi)与(yu)量子(zi)科(ke)技创新(xin)研(yan)究院(yuan)、科(ke)研(yan)部)


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