科學研究
            科研成果
            劉雄軍組和合作者發表三維手性拓撲絕緣體的量子模擬
            發布日期:2020-08-08瀏覽次數:

            最近北京大學量子材料中心劉雄軍組和中國科學技術大學杜江峰及王亞組利用量子淬火動力學模擬了凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體,并第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的量子模擬研究。該研究以”Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator ”為題,發表在近期的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。該工作是近年來劉雄軍組提出的平衡態拓撲物相的動力學表征理論所推動的有關研究的最新進展。

            凝聚態體系中拓撲物相的發現革新了對量子物質基本相的認識,相關研究發展成為凝聚態物理的主流研究方向。拓撲材料的基本特性是在體內具有非平凡拓撲,邊界則出現和體拓撲相對應的邊界態。在過去的十多年里,人們在尋找新奇拓撲物質方面取得了大量突破,發現了諸多新的拓撲相。盡管如此,在理論預言的眾多拓撲物態中,目前仍只有很小的一部分在凝聚態實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術,可以超越真實體系所受的限制,為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。諸多拓撲物理在各種量子模擬器上成功實現,比如在超冷原子中,這包括ETH組實現的二維Haldane模型[Nature 515, 237 (2014)]、北大劉雄軍組和中國科大組實現的自旋軌道耦合下的量子反?;魻栃钚∧P蚚Science 354, 83 (2016)]、北大劉雄軍組和香港科大組實現的一維手性拓撲相[Sci. Adv. 4, aao4748 (2018)]及節線三維半金屬[Nat. Phys. 15, 911 (2019)]。通常量子模擬器上只能模擬拓撲體態或者邊界態,但無法做到同時模擬體內和邊界,進而準確研究體-邊對應。劉雄軍組在2018年提出了平衡態拓撲物相的動力學表征理論(Science Bull. 63, 1385 (2018)),其中一項基本結論是動量空間存在普適的體-面(能帶反轉面)對應,類同于拓撲相在實空間的體-邊對應。這使得方便進行量子模擬。這項工作為基于量子模擬完整研究體和邊的拓撲物性提供了理論基礎,并在近兩年促進了大量的理論和實驗相關研究。

            中國科大杜江峰院士和王亞教授基于金剛石NV色心體系發展了新的量子模擬器,以此可以對各類拓撲物理開展量子模擬。他們與北京大學劉雄軍教授合作,利用金剛石NV色心體系作為量子模擬器,在實驗上模擬了一個凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體,并對三維體內和二維能帶反轉面的拓撲物理進行了全面的實驗研究。該工作利用量子淬火過程中的動力學,首先觀測了三維手性拓撲相的體內拓撲與二維能帶反轉面上衍生的非平庸淬火動力學之間的對應關系,即動量空間中的動力學體-面對應關系,類同于實空間中的體-邊對應。利用這種新的研究方法,該工作中實驗觀測了手性對稱性對拓撲相的保護,驗證破壞對稱性帶來的影響,并探測到拓撲荷以及北大理論組早先預言的淬火過程中演生的動力學拓撲轉變。這些結果展示了這種量子模擬對于拓撲相體-邊物理完整研究的優勢,以及這些技術有潛力被應用于更廣泛的拓撲物理的研究。

            這一成果近期發表在《物理學評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。北京大學量子材料中心的博士研究生張林同學和中國科學技術大學物理學院的博士研究生季文韜同學為文章共同第一作者,量子材料中心的張龍博士也參與了工作。量子材料中心的劉雄軍教授和中國科大杜江峰院士、王亞教授是共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院等的資助。

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