中国科学家在超冷原子量子模拟领域获重大突破

北京10月12日消息 据中国之声《新闻纵横》报道，昨天，中国科学院举行了一场新闻发布会，发布我国科学家潘建伟、刘雄军、陈帅等在“超冷原子量子模拟领域”取得重大突破，相关成果发表在学术期刊《科学》上，业界评论其“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

　　听起来非常专业。在发布会上，研究者们说，他们的工作仅是打开一扇门。那么这究竟是一扇怎样的门呢？

　　本次发布的成果，是中国科学家团队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。这一关键突破将对新奇拓扑量子物态的研究带来重大影响，进而推动人们对物质世界的深入理解。研究团队成员、中国科学院院士潘建伟介绍，为什么自旋轨道耦合这么重要？其实目前多种基本物理现象和新奇量子物态，包括自旋电子学、拓扑绝缘体等都是自旋轨道耦合紧密联系在一起。一个带电粒子在电磁场中运动，其中最重要的效应之一就是自旋轨道耦合，有自旋轨道耦合之后，就会产生很多新奇的现象。

　　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做精确研究。利用超冷原子实现人工自旋轨道耦合，并研究新奇量子物态已成为超冷原子模拟量子领域最重大的前沿课题之一。潘建伟指出：冷原子环境干净，高度可控，就可以按照你的需要来看这个现象，因为平时有的东西很乱、背景也比较脏，做起来是非常困难的。现在提供了一种非常好的手段、而且是可控的手段来研究前面这些现象。

　　冷原子其实并不冷，在学术界，它很热。比如华裔科学家朱棣文开创激光冷却并捕捉原子，由此在1997年获得诺贝尔物理学奖。而超冷原子是指原子的温度接近绝对零度，也就是零下273.15摄氏度，这时将出现玻色—爱因斯坦凝聚态，也就是原本状态不同的原子凝聚到同一状态。2001年诺贝尔物理学奖就授予了首次从实验上实现玻色—爱因斯坦凝聚态的科学家。

　　潘建伟教授说，冷原子具有环境干净、高度可控等重要特性。过去五年间，科学家们已在冷原子上进行一维人工自旋轨道耦合实验，并取得系列成果。北京大学教授刘雄军用通俗的比喻解释说：“原子自旋相当于地球的自转，轨道运动相当于地球公转。”“耦合”即相互作用。人们发现，原子自旋轨道耦合导致出现多种基本物理现象和新奇量子物态，衍生出自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等前沿领域。

　　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。北京大学刘雄军理论小组提出了所谓的拉曼光晶格量子系统。基于这一理论方案，中国科学技术大学潘建伟、陈帅和邓友金等组成的实验小组成功地构造了拉曼光晶格量子系统，合成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。

　　潘建伟表示，中性原子能够让它通过某种东西的相互作用，让它感受到跟电子在电子场中同样的力，那不就相当于带电一样吗，所以用两束激光往同一原子一照，让原子运动的方程和电子在电磁场中运动的方程是一样的，规则是一样的就可以了。在传统的体系里很难控制，就用超冷原子来代替，方程是一样的。

　　这一成果显示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。为超冷原子量子模拟开辟了一条新道路。在此基础上，可以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。潘建伟指出，一开始希望不要一开始就离理论太远，“先把一些理论方程很清楚的、可以看到的有趣现象观察到，接下来可能继续往前拓展，把实验发展得更精细；另外一条路，因为实验目的是为了通过这个来研究、做一些本来做不了的东西，所以会建另外一个系统，加上去之后理论家算不动了，就再在实验上进行研究，可能会寻找一些意外的东西。