據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站12月27日消息，中國科大潘建偉教授及同事陳帥、鄧友金等與北京大學(xué)劉雄軍、維也納工業(yè)大學(xué)、卡爾加里大學(xué)的合作者們，在超冷原子拓?fù)淞孔芋w系的實(shí)驗(yàn)研究方面取得新進(jìn)展。他們用量子淬火動(dòng)力學(xué)方法在人工合成的二維自旋軌道耦合超冷原子體系中得到了直接判斷體系拓?fù)涞膭?dòng)力學(xué)判據(jù)，并據(jù)此精確測定了體系的拓?fù)湎鄨D。相關(guān)研究成果于12月18日在線發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上。該成果開創(chuàng)了用非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)來研究拓?fù)淞孔芋w系的新方法。

二維準(zhǔn)動(dòng)量空間上的自旋極化隨時(shí)間的演化以及自旋極化呈現(xiàn)的圈狀

自旋軌道耦合是量子物理學(xué)中基本的物理效應(yīng)，它在拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)、Majorana費(fèi)米子等多種拓?fù)淞孔游飸B(tài)中扮演了核心角色。由于拓?fù)涞姆蔷钟蛱匦?，在拓?fù)湎嗪屯負(fù)鋺B(tài)的判斷上通常難以找到一個(gè)局域的可觀測量。近年來，科學(xué)家們在超冷原子體系中發(fā)展了一系列拓?fù)涮綔y手段，例如干涉法測量Berry相位、用熱原子填充測量能帶對稱點(diǎn)的自旋分布等,但均未提供拓?fù)淞孔討B(tài)簡單直接的判據(jù)，并且很多方法受限于溫度效應(yīng)和測量過程中的加熱影響，使得精確測量體系拓?fù)淙匀焕щy重重。

研究小組對2016年實(shí)現(xiàn)的二維自旋軌道耦合進(jìn)行了改進(jìn)，提出優(yōu)化的理論方案[Phys. Rev. A 97,

011605(R)(2018)]，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上構(gòu)造出高度可控、對稱與長壽命的二維自旋軌道耦合玻色氣體[Phys. Rev. Lett.

121，150401

(2018)]。在此基礎(chǔ)上，研究小組利用非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)上首次直接精確測量了能帶拓?fù)?。他們利用量子淬火機(jī)制，使體系處于非平衡態(tài)，并在二維自旋軌道耦合哈密頓量下進(jìn)行幺正動(dòng)力學(xué)演化。在演化過程中，他們觀察到自旋極化在二維準(zhǔn)動(dòng)量空間上產(chǎn)生了圈狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)被證實(shí)是近期理論提出的拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)面的直接證據(jù)[Science

Bull. 63, 1385

(2018)]，進(jìn)而可以直接判斷能帶的拓?fù)湫再|(zhì)并得到拓?fù)潢悢?shù)。不僅如此，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)拓?fù)淠軒?shù)，自旋極化的圈狀結(jié)構(gòu)的尺寸也隨之變化，由此可以精確標(biāo)定出拓?fù)浞瞧接箙^(qū)域的邊界，測定體系的拓?fù)湎鄨D。相對于一般的平衡態(tài)方法，非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對原子溫度以及高能帶的影響不敏感，具有很強(qiáng)的普適性，也可以推廣到高維的多種拓?fù)潴w系中來簡單直接精確地測量體系拓?fù)洹?

實(shí)驗(yàn)上對拓?fù)湎鄨D中拓?fù)溥吔绲木_測定

該工作首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方法在探測體系拓?fù)浞矫嫠哂械膬?yōu)越性，為拓?fù)淞孔芋w系的研究提供了新思路。該研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和中科院－阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室等支持。