中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京大學(xué)相關(guān)研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊在超冷原子量子模擬領(lǐng)域取得重大突破。中國科大-北大聯(lián)合團(tuán)隊在國際上首次理論提出并實驗實現(xiàn)超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導(dǎo)致的新奇拓?fù)淞孔游镄?。這一關(guān)鍵突破將對新奇拓?fù)淞孔游飸B(tài)的研究，進(jìn)而推動人們對物質(zhì)世界的深入理解帶來重大影響。該合作成果以研究長文(Research Article)的形式發(fā)表在最新一期的國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上[Science, 354, 83-88, (2016)]。由于該工作“對研究超越傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理的奇異現(xiàn)象具有重大潛力”，《科學(xué)》雜志在同期的觀點欄目(Perspective)專門配發(fā)了題為“Coldatoms twisting spin and momentum”的評論文章。

自旋軌道耦合是量子物理學(xué)中基本的物理效應(yīng)。它在多種基本物理現(xiàn)象和新奇量子物態(tài)中扮演了核心角色。這些現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)生了自旋電子學(xué)，拓?fù)浣^緣體，拓?fù)涑瑢?dǎo)體等當(dāng)前凝聚態(tài)物理中最重要的前沿研究領(lǐng)域。然而，由于普遍存在難以控制的復(fù)雜環(huán)境，很多重要的新奇物理難以在固體材料中做精確研究。這對相關(guān)科研帶來很大的挑戰(zhàn)。同時，隨著超冷原子物理量子模擬領(lǐng)域的重大發(fā)展，在超冷原子中實現(xiàn)人工自旋軌道耦合，并研究新奇量子物態(tài)已成為該領(lǐng)域最重大的前沿課題之一。冷原子有環(huán)境干凈，高度可控等重要特性。在過去五年里，一維人工自旋軌道耦合在實驗上實現(xiàn)，并取得一系列成果。但探索廣泛深刻的新型拓?fù)淞孔游飸B(tài)須獲得二維以上的自旋軌道耦合。如何實現(xiàn)高維自旋軌道耦合已成為超冷原子量子模擬最緊迫的核心課題。

在超冷原子中實現(xiàn)高維自旋軌道耦合在理論和實驗上都是極具挑戰(zhàn)性的問題。國際上多個團(tuán)隊均為此付出了許多努力。為解決這一根本困難，北京大學(xué)劉雄軍理論小組提出了所謂的拉曼光晶格量子系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)基于該系統(tǒng)，不僅可完好地實現(xiàn)二維人工自旋軌道耦合，并能得到如量子反?；魻栃?yīng)和拓?fù)涑鞯壬羁痰幕疚锢硇?yīng)。基于該理論方案，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組在經(jīng)過多年艱苦努力發(fā)展起來的超精密激光和磁場調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功地構(gòu)造了拉曼光晶格量子系統(tǒng)，合成二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，合成的自旋軌道耦合和能帶拓?fù)渚哂懈叨瓤烧{(diào)控性。該工作將對冷原子和凝聚態(tài)物理研究產(chǎn)生重大影響，基于此工作可研究全新的拓?fù)湮锢?，包括固體系統(tǒng)中難以觀察到的玻色子拓?fù)湫?yīng)等，從而為超冷原子量子模擬開辟了一條新道路。該工作在中國科大和北京大學(xué)兩個單位的緊密合作下完成。這項工作顯示我國在超冷原子量子模擬相關(guān)研究方向上已走在國際最前列。潘建偉，劉雄軍，陳帥依次為文章的通訊作者。該項目得到國家自然科學(xué)基金委，科技部，教育部，中科院和中科院-阿里巴巴量子計算聯(lián)合實驗室等支持。(記者潘毅 黃光輝)