中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、林毅恒等人與中科院量子信息重點實驗室羅希望等合作，在拓?fù)湎嘧兞孔幽M方面取得重要進(jìn)展。通過發(fā)展高自旋離子阱體系的調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了對三重簡并拓?fù)鋯螛O子的量子模擬，觀測到具有不同拓?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《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)] 。

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)計帶來了新的思路，乃至對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)獎便授予了在拓?fù)湮锢韺W(xué)方面做出開創(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，這是由于他們都有一個穿透的洞，而洞的個數(shù)是一個拓?fù)湫再|(zhì)，對應(yīng)拓?fù)浜伞？茖W(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，能帶簡并點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弧Ｍ瑫r，簡并點附近的準(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τ谔剿餍滦土Ｗ右簿哂兄匾饬x。

此項研究針對拓?fù)湎嘧冎械囊活愔匾馁M米子——三重簡并費米子模型進(jìn)行實驗?zāi)M。該模型對應(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，直接觀測這種三重簡并點的拓?fù)湎嘧冃枰獜?fù)雜的調(diào)控，目前難以實現(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。這項研究中，通過使用在超高真空環(huán)境束縛的鈹離子，結(jié)合微波、射頻等的準(zhǔn)調(diào)控，構(gòu)建多能級的量子體系，可以有效的觀測自旋為1的拓?fù)鋯螛O子的行為。通過調(diào)控實驗參數(shù)，研究人員清晰的觀測到量子態(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)控的多能級束縛離子系統(tǒng)，為研究高自旋物理提供了良好的平臺，并為進(jìn)一步研究新奇高階拓?fù)浜啿B(tài)以及其他拓?fù)鋯螛O子現(xiàn)象鋪平了道路。

圖1. 自旋為1的拓?fù)淞孔幽M實驗結(jié)果。左圖：實驗觀測到的拓?fù)湎嘧冃袨?，其?β>-2 對應(yīng)拓?fù)浜蔀?， β<-2 對應(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)，實線為對應(yīng)的理論預(yù)測結(jié)果。右圖：實驗觀測張量橢球在拓?fù)湎嘧凕c 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)張量對拓?fù)浜傻呢暙I(xiàn)。

研究中使用的離子阱實驗系統(tǒng)屬于近幾年迅速發(fā)展起來的高自旋量子模擬器。中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、林毅恒教授帶領(lǐng)團(tuán)隊從無到有搭建了實驗平臺，并成功發(fā)展了一系列新型的高自旋操控技術(shù)，包括使用動力學(xué)去耦將三能級狀態(tài)相干時間提高一個數(shù)量級[Phys. Rev. A. 106, 022412 (2022)]；通過解析模型輔助的形狀脈沖，以實現(xiàn)四能級系統(tǒng)的兩個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驗基礎(chǔ)。中科院量子信息重點實驗室羅希望教授、美國德克薩斯大學(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。

審稿人高度評價該工作，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-動量的耦合可以通過自旋為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。這個工作是有意思的和重要的?！保?/span>

中科院微觀磁共振重點實驗室博士研究生張夢翔、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。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院、科技部、安徽省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.250501

（中科院微觀磁共振重點實驗室、中科院量子信息重點實驗室、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

來源：中國科大新聞網(wǎng)