中國科學家在超冷原子量子模擬領(lǐng)域獲重大突破
2016-10-12 09:50:17
來源：央廣網(wǎng)
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昨天，中國科學院舉行了一場新聞發(fā)布會，發(fā)布我國科學家潘建偉、劉雄軍、陳帥等在“超冷原子量子模擬領(lǐng)域”取得重大突破，相關(guān)成果發(fā)表在學術(shù)期刊《科學》上，業(yè)界評論其“對研究超越傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理的奇異現(xiàn)象具有重大潛力”。
聽起來非常專業(yè)。在發(fā)布會上，研究者們說，他們的工作僅是打開一扇門。那么這究竟是一扇怎樣的門呢？
本次發(fā)布的成果，是中國科學家團隊在國際上首次理論提出并實驗實現(xiàn)超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。這一關(guān)鍵突破將對新奇拓撲量子物態(tài)的研究帶來重大影響，進而推動人們對物質(zhì)世界的深入理解。研究團隊成員、中國科學院院士潘建偉介紹，為什么自旋軌道耦合這么重要？其實目前多種基本物理現(xiàn)象和新奇量子物態(tài)，包括自旋電子學、拓撲絕緣體等都是自旋軌道耦合緊密聯(lián)系在一起。一個帶電粒子在電磁場中運動，其中最重要的效應之一就是自旋軌道耦合，有自旋軌道耦合之后，就會產(chǎn)生很多新奇的現(xiàn)象。
然而，由于普遍存在難以控制的復雜環(huán)境，很多重要的新奇物理難以在固體材料中做精確研究。利用超冷原子實現(xiàn)人工自旋軌道耦合，并研究新奇量子物態(tài)已成為超冷原子模擬量子領(lǐng)域最重大的前沿課題之一。潘建偉指出：冷原子環(huán)境干凈，高度可控，就可以按照你的需要來看這個現(xiàn)象，因為平時有的東西很亂、背景也比較臟，做起來是非常困難的?，F(xiàn)在提供了一種非常好的手段、而且是可控的手段來研究前面這些現(xiàn)象。
冷原子其實并不冷，在學術(shù)界，它很熱。比如華裔科學家朱棣文開創(chuàng)激光冷卻并捕捉原子，由此在1997年獲得諾貝爾物理學獎。而超冷原子是指原子的溫度接近絕對零度，也就是零下273.15攝氏度，這時將出現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)，也就是原本狀態(tài)不同的原子凝聚到同一狀態(tài)。2001年諾貝爾物理學獎就授予了首次從實驗上實現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)的科學家。
潘建偉教授說，冷原子具有環(huán)境干凈、高度可控等重要特性。過去五年間，科學家們已在冷原子上進行一維人工自旋軌道耦合實驗，并取得系列成果。北京大學教授劉雄軍用通俗的比喻解釋說：“原子自旋相當于地球的自轉(zhuǎn)，軌道運動相當于地球公轉(zhuǎn)。”“耦合”即相互作用。人們發(fā)現(xiàn)，原子自旋軌道耦合導致出現(xiàn)多種基本物理現(xiàn)象和新奇量子物態(tài)，衍生出自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等前沿領(lǐng)域。
在超冷原子中實現(xiàn)高維自旋軌道耦合在理論和實驗上都是極具挑戰(zhàn)性的問題。北京大學劉雄軍理論小組提出了所謂的拉曼光晶格量子系統(tǒng)?；谶@一理論方案，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組成功地構(gòu)造了拉曼光晶格量子系統(tǒng)，合成二維自旋軌道耦合的玻色－愛因斯坦凝聚體。進一步研究發(fā)現(xiàn)，合成的自旋軌道耦合和能帶拓撲具有高度可調(diào)控性。
潘建偉表示，中性原子能夠讓它通過某種東西的相互作用，讓它感受到跟電子在電子場中同樣的力，那不就相當于帶電一樣嗎，所以用兩束激光往同一原子一照，讓原子運動的方程和電子在電磁場中運動的方程是一樣的，規(guī)則是一樣的就可以了。在傳統(tǒng)的體系里很難控制，就用超冷原子來代替，方程是一樣的。
這一成果顯示我國在超冷原子量子模擬相關(guān)研究方向上已走在國際最前列。為超冷原子量子模擬開辟了一條新道路。在此基礎(chǔ)上，可以研究全新的拓撲物理，包括固體系統(tǒng)中難以觀察到的玻色子拓撲效應等。潘建偉指出，一開始希望不要一開始就離理論太遠，“先把一些理論方程很清楚的、可以看到的有趣現(xiàn)象觀察到，接下來可能繼續(xù)往前拓展，把實驗發(fā)展得更精細；另外一條路，因為實驗目的是為了通過這個來研究、做一些本來做不了的東西，所以會建另外一個系統(tǒng)，加上去之后理論家算不動了，就再在實驗上進行研究，可能會尋找一些意外的東西。
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