中國(guó)科大在拓?fù)湎嘧兞孔幽M上取得重要進(jìn)展
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、林毅恒等人與中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅希望等合作，在拓?fù)湎嘧兞孔幽M方面取得重要進(jìn)展。通過(guò)發(fā)展高自旋離子阱體系的調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三重簡(jiǎn)并拓?fù)鋯螛O子的量子模擬，觀測(cè)到具有不同拓?fù)浜傻膯螛O子之間的相變，并展示了自旋張量在其中的重要作用。該研究結(jié)果于2022年12月14日以“Observation of Spin-Tensor Induced Topological Phase Transitions of Triply Degenerate Points with a Trapped Ion”為題，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)] 。 zM=MFKhi ~
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拓?fù)湮飸B(tài)是當(dāng)前物理研究的前沿和主流領(lǐng)域之一，為新材料、新器件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的思路，乃至對(duì)我們深入理解宇宙基本粒子的性質(zhì)都具有重要的意義。2016年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)便授予了在拓?fù)湮锢韺W(xué)方面做出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。拓?fù)湓醋杂跀?shù)學(xué)，指在局部的連續(xù)變化下保持不變的整體性質(zhì)。比如面包圈和茶杯拓?fù)涞葍r(jià)，這是由于他們都有一個(gè)穿透的洞，而洞的個(gè)數(shù)是一個(gè)拓?fù)湫再|(zhì)，對(duì)應(yīng)拓?fù)浜�。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，拓?fù)湓谀畚镔|(zhì)的一些物理特性上也起到關(guān)鍵作用，這些物理特性不依賴樣品的細(xì)節(jié)，完全由系統(tǒng)狀態(tài)的整體拓?fù)湫再|(zhì)確定。而拓?fù)湎嘧儭哂胁煌負(fù)湫再|(zhì)的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變——一定是不連續(xù)的躍變。例如在一些半金屬材料中，能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)形成的類似單極子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以具有不同的拓?fù)浜�，探索他們之間的拓?fù)湎嘧兪悄壳暗那把匮芯糠较蛑�。同時(shí)，簡(jiǎn)并點(diǎn)附近的準(zhǔn)粒子激發(fā)表現(xiàn)出類似基本粒子的行為，探索其拓?fù)湎嘧儗?duì)于探索新型粒子也具有重要意義。 _7;:*'>a4
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此項(xiàng)研究針對(duì)拓?fù)湎嘧冎械囊活愔匾馁M(fèi)米子——三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。該模型對(duì)應(yīng)自旋為1的拓?fù)鋯螛O子，在近期的研究中受到廣泛關(guān)注。然而，在固體材料體系中，直接觀測(cè)這種三重簡(jiǎn)并點(diǎn)的拓?fù)湎嘧冃枰獜?fù)雜的調(diào)控，目前難以實(shí)現(xiàn)。因此，高度可控的量子模擬器為研究拓?fù)洮F(xiàn)象提供了新的途徑。這項(xiàng)研究中，通過(guò)使用在超高真空環(huán)境束縛的鈹離子，結(jié)合微波、射頻等的精準(zhǔn)調(diào)控，構(gòu)建多能級(jí)的量子體系，可以有效的觀測(cè)自旋為1的拓?fù)鋯螛O子的行為。通過(guò)調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究人員清晰的觀測(cè)到量子態(tài)的拓?fù)湎嘧�，并且提取出高階自旋張量在其中的貢獻(xiàn)（圖1所示）。該工作發(fā)展出的高度可調(diào)控的多能級(jí)束縛離子系統(tǒng)，為研究高自旋物理提供了良好的平臺(tái)，并為進(jìn)一步研究新奇高階拓?fù)浜?jiǎn)并態(tài)以及其他拓?fù)鋯螛O子現(xiàn)象鋪平了道路。 @lE'D":?
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圖1. 自旋為1的拓?fù)淞孔幽M實(shí)驗(yàn)結(jié)果。左圖：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的拓?fù)湎嘧冃袨椋渲?β>-2 對(duì)應(yīng)拓?fù)浜蔀?， β<-2 對(duì)應(yīng)拓?fù)浜蔀?；不同顏色的數(shù)據(jù)代表拓?fù)湎嘧冎懈鞣N分量的貢獻(xiàn)，其中黃色數(shù)據(jù)代表張量部分的貢獻(xiàn)，實(shí)線為對(duì)應(yīng)的理論預(yù)測(cè)結(jié)果。右圖：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)張量橢球在拓?fù)湎嘧凕c(diǎn) β≈-2 附近的幾何環(huán)繞行為。自旋張量橢球在參數(shù)空間中特定回路的演化，可以清晰的反應(yīng)張量對(duì)拓?fù)浜傻呢暙I(xiàn)。 %k1P yv;]
研究中使用的離子阱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屬于近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的高自旋量子模擬器。中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰院士、林毅恒教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從無(wú)到有搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成功發(fā)展了一系列新型的高自旋操控技術(shù)，包括使用動(dòng)力學(xué)去耦將三能級(jí)狀態(tài)相干時(shí)間提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[Phys. Rev. A. 106, 022412 (2022)]；通過(guò)解析模型輔助的形狀脈沖，以實(shí)現(xiàn)四能級(jí)系統(tǒng)的兩個(gè)近鄰躍遷之間的快速普適調(diào)控[Phys. Rev. Applied. 18, 034047 (2022)]。上述工作為本文的研究奠定了核心實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅希望教授、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校張傳偉教授為本文的工作提供核心理論支持。 PZusYeV8b
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審稿人高度評(píng)價(jià)該工作，指出“...importantly, the spin-tensor-momentum-coupling could be generated for spin-1 systems and induce intriguing quantum phenomena different from spin-1/2 ones. This work is of interest and importance.”（“……重要的是，自旋-張量-動(dòng)量的耦合可以通過(guò)自旋為1的系統(tǒng)生成，導(dǎo)致與自旋1/2不同的有趣的量子現(xiàn)象。這個(gè)工作是有意思的和重要的�！保� ,u2Qkw
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中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生張夢(mèng)翔、李岳以及袁新星博士為該論文共同第一作者，杜江峰院士、林毅恒教授和羅希望教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院、科技部、安徽省的資助。 {jz`K1
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論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.250501
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