記者4月19日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、陳帥等與北京大學(xué)劉雄軍等合作，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)。研究成果于4月16日以研究長(zhǎng)文形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上，同時(shí)還專門配發(fā)了評(píng)論文章。

外爾半金屬是一類重要的拓?fù)湮飸B(tài)，它是一種拓?fù)浯艈螛O子，且總是成對(duì)出現(xiàn)，最早于1929年由德國(guó)科學(xué)家赫爾曼·外爾提出。有且僅有兩個(gè)外爾點(diǎn)的外爾半金屬—理想外爾半金屬，是外爾半金屬“家族”中最為基礎(chǔ)的一員，但這種僅有兩個(gè)外爾點(diǎn)的外爾半金屬尚未實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)超冷原子研究拓?fù)淞孔游飸B(tài)，目前是量子模擬領(lǐng)域中一個(gè)活躍的方向，也一直是超冷原子量子模擬領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)上面臨兩個(gè)技術(shù)難題，一是怎樣把二維形式的拉曼耦合拓展到三維結(jié)構(gòu);二是怎樣利用傳統(tǒng)的二維成像進(jìn)行三維動(dòng)量空間的探測(cè)。為此，科研人員設(shè)計(jì)了巧妙的光路，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)。此外，研究人員利用體系的對(duì)稱性，通過(guò)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?，進(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)。

《科學(xué)》雜志的審稿人對(duì)這一工作給予高度評(píng)價(jià)：“為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現(xiàn)象打開(kāi)了新的方向”“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”等。這項(xiàng)研究成果還可以推廣到費(fèi)米子體系，開(kāi)展強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)湮锢淼难芯?，有望極大推動(dòng)量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 超冷原子體系 半金屬態(tài)