物理學家發現量子模擬具有超冷原子的拓撲材料

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】對稱性在理解複雜量子物質方面發揮著重要作用，尤其是在對近十年來引起極大興趣的拓撲量子階段進行分類時。一個突出的例子是時間反轉不變的拓撲絕緣體，這是一種具有獨特電子性質的相對較新類別的材料，很好理解為對稱保護拓撲（SPT）材料。在最近的一項研究中，香港科技大學（科大）和北京大學（PKU）的國際實驗和理論物理學家小組報告了用原子量子模擬觀測超冷原子的SPT相。這項工作為拓展SPT物理學的研究範圍打開了方法，使用超冷原子和研究這些外來系統中的非平衡量子動力學。他們的發現發表在2018年2月23日的科學進展期刊上。

超冷原子的量子模擬是理解和發展拓撲物質潛力的科學領域。圖片版權：科大物理系

物體的形狀可以根據拓撲進行分類。物理材料中的基礎拓撲和對稱性可以理解量子物質的一個奇特階段。該團隊為超冷原子創建了一個合成晶體，並首次模擬超出自然條件的一維（1-D）拓撲材料的關鍵屬性。超低溫原子比固體稀釋10億倍，但能夠研究複雜的物理學，因為它們非常原始且可控。拓撲量子相的分類帶來了SPT相的基本概念，這是在對稱性保護下的外來狀態，並且極大地擴展了我們對量子物質基本性質的理解。儘管如此，迄今為止固體材料中僅有一小部分理論預測的SPT相被發現，這主要是由於固態材料的複雜和不可控制的環境導致了很大的實現挑戰。

北大助理教授和該論文的合著者劉雄軍說：我們的工作在理論上預言了一種新型的SPT階段，超越了傳統的基於十倍方法的分類，並且在實驗中觀察到這樣一個具有超冷原子的工程合成晶體的外來狀態，這項工作實際上是超冷原子的SPT階段的第一個實驗實現，這為模擬和探測新型SPT物理提供了大量可能性。這項工作確實將拓撲物質的量子模擬帶到了一個新的水平，這可能會導致材料科學和量子技術的巨大進步。科大物理系助理教授Gyu-Booong Jo解釋說：此外由於完全可控性的優勢，預計目前的工作將推動未來在相互作用SPT相的超冷原子實驗中的研究，這些研究理論上廣泛討論，但很難在固態材料中進行研究。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Science Advances

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：香港科技大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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