量子模擬—人工合成自旋-軌道耦合體系研究取得重要進展

2020-11-27 中國科大..

量子模擬—人工合成自旋-軌道耦合體系研究取得重要進展

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陳帥、鄧友金等在超冷原子量子模擬領域取得重要進展。他們在超冷銣原子形成的自旋-軌道耦合玻色-愛因斯坦凝聚體系中，首次在實驗上精確測量了該體系完整的激發譜特性，發現並深入研究了該激發譜中「旋子-聲子」結構的性質。該實驗除進一步揭示了自旋-軌道耦合體系超流性質外，更為重要的是首次揭示弱且短程的相互作用體系可以具有旋子形式的激發譜，為今後強關聯體系的量子模擬提供新的途徑。該成果以「Softening of Roton and Phonon Modes in a Bose-Einstein Condensate with Spin-Orbit Coupling」為題發表於3月13日出版的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 114, 105301 (2015)]上。 

 

自旋-軌道耦合把電子的速度與自旋關聯起來，其與諸多凝聚態焦點問題密不可分，諸如量子霍爾效應，拓撲超導體，Majorana費米子等。在固體材料中，電子的自旋-軌道耦合性質決定於由材料本身結構導致的內稟電場，其參數很難調節。而在近年來發展的超冷中性原子量子模擬系統中，我們可以人工構造出自旋-軌道耦合，並進一步通過改變外磁場和操控雷射光強、頻率的方法靈活地調節體系參數，為更深層次研究和理解這些重大的凝聚態現象提供了有效的平臺。 

 

旋子和聲子是超流體的兩種典型的激發模式，其由朗道在1941年首次預言並隨後在超流液氦體系中得到了實驗驗證。旋子激發源自於原子間的強相互關聯。它對於理解玻色體系中固相的湧現起著重要的作用，是空間平移對稱性自發破缺的徵兆。潘建偉小組在人工合成自旋-軌道耦合玻色愛因斯坦凝聚體的基礎上，利用布拉格譜技術首次探測了該體系的激發性質，並得到了包含「旋子-聲子」結構的完整激發譜。更為有趣的是，通過改變拉曼耦合強度，實驗成功地觀測到旋子激發的軟化，表明了體系從超流體朝著超固體演化。他們的發現表徵了自旋-軌道耦合體系獨特的超流性質，並為今後研究強關聯體系的量子模擬和特性研究打開了新的思路。 

 

該項研究得到了中國科學院，科技部，自然科學基金委員會、教育部等單位的支持。 

 

（微尺度物質科學國家實驗室、近代物理系、量子信息與量子科技前沿創新中心、科研部） 

 

網頁連結：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.105301

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