外爾物理量子模擬取得重要進展

　　中國科學技術大學潘建偉、陳帥等與北京大學劉雄軍等合作，在超冷原子模擬拓撲量子材料方面取得了重要進展。研究團隊在國際上首次利用超冷原子體系實現了三維自旋軌道耦合，并構造出有且僅有一對外爾點的理想外爾半金屬能帶結構。該研究成果于4月16日以研究長文的形式發表在國際學術期刊《科學》雜志上。

　　外爾半金屬是一類重要的拓撲物態，其能帶中的外爾點結構具有許多奇異的性質：它是一種拓撲磁單極子，且總是成對出現，在其附近的低能激發的運動模式符合“外爾費米子”的方程，最早于1929年由德國科學家赫爾曼·外爾提出。有且僅有兩個外爾點的外爾半金屬—理想外爾半金屬，是外爾半金屬“家族”中最基礎的一員。在凝聚態材料中，盡管近幾年外爾半金屬材料取得諸多重要進展，這種僅有兩個外爾點的外爾半金屬尚未實現。

　　超冷原子體系具有環境干凈，高度可控等重要特性，通過超冷原子研究拓撲量子物態目前是量子模擬領域中一個活躍的方向，其中人工合成自旋軌道耦合是實現拓撲物相的一項重要技術。實現外爾半金屬等高維拓撲物態的模擬，三維自旋軌道耦合是其必要條件。這意味著需要構建更加復雜的三維非阿貝爾規范勢，一直是超冷原子量子模擬領域的重大挑戰。

　　由于該工作開啟了超越傳統凝聚態物理的外爾型拓撲物理的量子模擬，《科學》雜志在同期的視點欄目專門配發了評論文章。《科學》雜志的審稿人對這一工作給予了高度評價，認為這項工作“為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現象打開了新的方向”“作為三維自旋軌道耦合在冷原子體系的首次實現，是領域中的重要進展，并為冷原子研究提供了新的工具”“對理想外爾點的實現是非常有價值的結果，為固體系統提供了起到互補作用的研究方向”。

　　據介紹，在該研究工作的基礎上，研究團隊將進一步開展外爾半金屬中更奇特的現象和物理過程的探索。本工作的技術方案也可以推廣到費米子體系，開展強關聯拓撲物理的研究。該成果有望極大推動量子模擬領域的發展。