香港科技大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲材料

2019-08-19

複雜的拓撲材料,尤其是具有不同內部和表面性質的材料,使得量子計算免於噪聲干擾而更加健壯,近年來成為工業和學術界研究焦點。目前的量子計算機仍然脆弱,提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪聲下保持功能容錯量子計算的需求,促使了對於複雜拓撲材料的探索。

香港科技大學物理系的曹圭鵬教授與北京大學物理系的劉雄軍教授合作首次實現三維拓撲材料。此材料由超冷原子構成,製備在接近絕對零度的億分之三度。它為研究新型拓撲材料,甚至那些固體中無法製備的材料提供了途徑。這些利用超冷原子實現的新型人工合成材料使得物理學家可以去研究非凡的物質態,進而研發新型量子器件。

材料的拓撲屬性意味著材料在實際系統中可以含有一定缺陷,這也為探索材料的新奇特性提供了可能。拓撲材料研究局限於低維,因為超冷原子難以實現三維拓撲材料。三維材料的實現全面開啟拓撲材料在超冷原子中的研究,包括絕緣態,半金屬和超流在內的高維的非凡拓撲態。

在物理學家構造的人工合成晶格結構中,超冷原子的行為如同在固體中電子。實驗中,研究員們將原子的自旋與原子的運動關聯起來,形成合成拓撲材料,並且通過新的觀測手段觀測其能譜。這個合成量子材料就是三維自選軌道耦合的結點線半金屬。

這項研究最近於2019年7月29號在自然物理雜誌發表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。

“我們的研究為研發自然界不存在的新奇的拓撲材料提供了可能”,曹教授指出,“此進展也為複雜的三維拓撲材料研究和模擬提供了平台。”

這項研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的後續工作。

曹圭鵬教授(右一)和他的團隊,宋博博士(右二),博士研究生何成東(左一)和任澤建(左二)。
曹圭鵬教授(右一)和他的團隊,宋博博士(右二),博士研究生何成東(左一)和任澤建(左二)。
結點線由三維拓撲能帶測量得到,與理論模擬很好地吻合。
結點線由三維拓撲能帶測量得到,與理論模擬很好地吻合。