香港科技大学科研团队用超冷原子解密三维拓扑材料

2019-08-19

复杂的拓扑材料,尤其是具有不同内部和表面性质的材料,使得量子计算免于噪声干扰而更加健壮,近年来成为工业和学术界研究焦点。目前的量子计算机仍然脆弱,提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪声下保持功能容错量子计算的需求,促使了对于复杂拓扑材料的探索。

香港科技大学物理系的曹圭鵬教授与北京大学物理系的刘雄军教授合作首次实现三维拓扑材料。此材料由超冷原子构成,制备在接近绝对零度的亿分之三度。它为研究新型拓扑材料,甚至那些固体中无法制备的材料提供了途径。这些利用超冷原子实现的新型人工合成材料使得物理学家可以去研究非凡的物质态,进而研发新型量子器件。

材料的拓扑属性意味着材料在实际系统中可以含有一定缺陷,这也为探索材料的新奇特性提供了可能。拓扑材料研究局限于低维,因为超冷原子难以实现三维拓扑材料。三维材料的实现全面开启拓扑材料在超冷原子中的研究,包括绝缘态,半金属和超流在内的高维的非凡拓扑态。

在物理学家构造的人工合成晶格结构中,超冷原子的行为如同在固体中电子。实验中,研究员们将原子的自旋与原子的运动关联起来,形成合成拓扑材料,并且通过新的观测手段观测其能谱。这个合成量子材料就是三维自选轨道耦合的结点线半金属。

这项研究最近于2019年7月29号在自然物理杂志发表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。

“我们的研究为研发自然界不存在的新奇的拓扑材料提供了可能”,曹教授指出,“此进展也为复杂的三维拓扑材料研究和模拟提供了平台。”

这项研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的后续工作。

曹圭鹏教授(右一)和他的团队,宋博博士(右二),博士研究生何成东(左一)和任泽建(左二)。
曹圭鹏教授(右一)和他的团队,宋博博士(右二),博士研究生何成东(左一)和任泽建(左二)。
结点线由三维拓扑能带测量得到,与理论模拟很好地吻合。
结点线由三维拓扑能带测量得到,与理论模拟很好地吻合。