記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、陳帥等與北京大學劉雄軍等合作，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。研究成果于4月16日以研究長文形式發表在國際學術期刊《科學》雜志上，同時還專門配發了評論文章。

圖源：中國科學技術大學網站

外爾半金屬是一類重要的拓撲物態，它是一種拓撲磁單極子，且總是成對出現，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”中最為基礎的一員，但這種僅有兩個外爾點的外爾半金屬尚未實現。

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，也一直是超冷原子量子模擬領域的重大挑戰。實驗上面臨兩個技術難題，一是怎樣把二維形式的拉曼耦合拓展到三維結構；二是怎樣利用傳統的二維成像進行三維動量空間的探測。為此，科研人員設計了巧妙的光路，通過將光晶格“旋轉”45°，并將相位鎖定，準確構造出理論方案中三維結構的拉曼勢，合成三維自旋軌道耦合，同時通過調節實驗參量，合成了有且僅有兩個外爾點的能帶結構。此外，研究人員利用體系的對稱性，通過再重構出三維動量空間的自旋紋理，找到外爾點；隨后利用量子淬火動力學提取出該平面能帶的拓撲特征，進而確定外爾點的位置。兩種方法互相佐證，印證了理想外爾半金屬能帶的實現。

《科學》雜志的審稿人對這一工作給予高度評價：“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”、“是領域中的重要進展，并為冷原子研究提供了新的工具”等。這項研究成果還可以推廣到費米子體系，開展強關聯拓撲物理的研究，有望極大推動量子模擬領域的發展。