中國科學技術大學潘建偉院士、陳帥教授等與北京大學劉雄軍教授等合作，在超冷原子模擬拓撲量子材料方面取得重要進展。他們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。該研究成果4月16日以研究長文形式發表于《科學》。
外爾半金屬是一類重要的拓撲物態，其能帶中的外爾點結構具有許多奇異的性質：它是一種拓撲磁單極子，且總是成對出現，在其附近的低能激發的運動模式符合“外爾費米子”的方程，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”中最基礎的一員。在凝聚態材料中，盡管近幾年外爾半金屬材料取得諸多重要進展，這種僅有兩個外爾點的外爾半金屬尚未實現。
超冷原子體系具有環境干凈，高度可控等重要特性，通過超冷原子研究拓撲量子物態目前是量子模擬領域中的熱點，其中人工合成自旋軌道耦合是實現拓撲物相的一項重要技術。實現外爾半金屬等高維拓撲物態的模擬，三維自旋軌道耦合是其必要條件。這意味著需要構建更加復雜的三維非阿貝爾規范勢，一直是超冷原子量子模擬領域的重大挑戰。
為實現三維自旋軌道耦合和理想外爾半金屬能帶，中國科大聯合研究團隊設計了巧妙的光路，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，并用兩種方法印證了理想外爾半金屬能帶的實現。
《科學》審稿人認為，這項工作“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”，“作為三維自旋軌道耦合在冷原子體系的首次實現，是領域中的重要進展，并為冷原子研究提供了新的工具”，“對理想外爾點的實現是非常有價值的結果，為固體系統提供了起到互補作用的研究方向”。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abc0105
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