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许志芳教授在拓扑量子态研究方面再获进展,超

2019-11-21 作者:国际学校   |   浏览(75)

  目前,寻找拓扑的量子物态已成为冷原子物理最重要的研究方向之一。最近几年,不管是实验还是理论,人们都在设法利用冷原子系统模拟一些著名的无相互作用的电子拓扑模型。人造强磁场或者自旋-轨道耦合已经通过拉曼光耦合和抖动光学晶格的实验技术实现了。对于有相互作用的费米子系统,几十年来人们一直在寻找具有特殊轨道对称性的拓扑费米子超流,因为这些特殊的超流体中存在着满足非阿贝尔统计的边缘激发。最近,在更易于实现的玻色系统中寻找类似的拓扑效应开始吸引了人们的兴趣。

近日,中国科学院武汉物理与数学研究所量子可积系统课题组副研究员姜玉铸与清华大学教授翟荟和博士史哲雨以及中国人民大学副教授齐燃合作,在超冷玻色与费米混合凝聚体涡旋结构的理论研究方向取得了新的突破,其结果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters 118, 080403 上。

中国科大研究团队经过多年努力,对超冷原子实验操控技术进行了全方位的革新,搭建了一套可以同时冷却操控锂和钾原子的世界领先的实验平台。通过发展新一代的激光冷却、高效率磁输运、光阱陷俘、高分辨成像等核心技术,研究人员最终成功地在一种独创的“碟片交叉光阱”中首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体。在实现玻色-费米双超流体后,研究团队迅速把目光投向玻色-费米量子涡旋的研究。他们通过各种努力将各项实验参数优化到极致,最终在10nK的极低温下,获得了高达150万锂原子和20万钾原子的双超流体,为产生和观测玻色-费米量子涡旋奠定了坚实基础。研究人员进一步设计了极其精巧的光学装置,产生了两束直径为20μm、可以对称地围绕双超流体转动的激光,如同搅拌咖啡用的勺子,使得超流体随之旋转起来。利用他们创造性发展的能够同时对双组份原子进行高分辨成像的技术,通过精密调节旋转激光的位置、光强、频率等参数,最终成功地产生并观测到了玻色-费米量子涡旋晶格。

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  许志芳教授于2015年加盟物理学院。此前许老师曾在日本、美国从事研究工作,长期致力于超冷原子量子气体的研究。该论文是他继2016年4月在《物理评论快报》上发表论文后,在超冷原子拓扑量子态研究方向取得的又一重要突破。

姜玉铸与其合作者对超冷玻色与费米混合凝聚体涡旋结构进行了深入的研究。发现在BCS-BEC过渡中,涡旋结构可以出现多种不同的结构,这是因为费米超流系统的涡旋核与玻色超流涡旋是完全不同的。在费米系统的BCS相区,涡旋核中心序参量为零,但是粒子数密度是个有限值。因此,玻色与费米混合体系不同组分之间的相互作用在BCS相区不再能够用序参量直接描写。而在BEC极限下,玻色和费米两种凝聚体涡旋核中心点都是没有粒子的。因而,在BEC一侧玻色子与费米子之间的相互作用要更强一些,从而诱发了一系列的几何结构相变。最近,中国科学技术大学教授潘建伟、陈宇翱及其合作者在实验上成功产生了玻色费米混合系统的涡旋 (Phys. Rev. Lett. 117, 145301 。因此,这方面的理论工作有望在不久的将来得到实验的验证。

物理学家对超流以及量子涡旋的研究已持续了近一个世纪,并获得了多项诺贝尔物理学奖。P.Kapitza首次观测到玻色液体的超流现象,获得1978年诺贝尔物理学奖;L.Landau提出了超流体的量子理论,解释并预言了超流体的许多重要性质,获得1962年诺贝尔物理学奖;D.Lee、D.Osheroff、R.Richardson等人成功地将液氦-3冷却至2.5mK以下,并首次观测到了费米液体的超流性,获得1996年诺贝尔物理学奖;A.A.Abrikosov通过求解Ginzburg–Landau方程,发现量子涡旋会遵循能量最低原则,排列成周期性的晶格结构;A.Leggett提出了一种新的量子理论,揭示了液氦-3费米超流的机理,他们因此分享了2003年诺贝尔物理学奖。

图1. a, Cu3TeO6的晶体及磁结构。为简洁起见,图中只标注了Cu原子。箭头为自旋示意图。b, 倒空间中的第一布里渊区以及各主要高对称点。c和d,中子散射实验所得到的分别沿着动量空间[001]和[111]方向的磁激发谱。c和d中的白线为理论计算的结果。虚线为b图所示的在动量空间中的位置。

  附原文链接:

量子凝聚体一直是凝聚态和冷原子理论研究中的前沿课题,与此相对应的超流、超导现象吸引了众多物理学工作者的关注,这方面的研究已经开始向实际应用方向发展。涡旋激发是凝聚体中的一个重要的特征,它同时具有量子准粒子特性和拓扑行为。关于凝聚体中涡旋激发结构的理论研究可以追溯到上个世纪六十年代,A. A. Abrikosov及V. K. Tkachenko等物理学家发现了涡旋结构在单纯凝聚体中正三角形格点结构最稳定;何天伦及其合作者发现两组分玻色凝聚体中随着组分之间相互作用的变化可以出现不同的几何结构,并得到了实验的证实。随着冷原子系统实验技术的进步,最近玻色与费米混合系统的超流已经成功在实验上实现。基于冷原子调控技术的发展,玻色与费米混合系统所对应涡旋结构的变化也成了实验和理论所关注的热点问题。

1937年,前苏联物理学家P.Kapitza发现,将液氦-4的温度冷却至2.17K以下时,它能够很快流过0.5μm宽的玻璃狭缝,他将这种没有粘滞性的流体称之为超流,一种可与超导媲美的宏观量子效应。20世纪40年代,物理学家L.Onsager、L.Landau、R.Feynman等人在理论上发现,旋转超流体宏观波函数中存在拓扑奇异点,原子会围绕这些拓扑奇异点做旋转运动——这就是所谓的量子涡旋。

近日,南京大学物理学院温锦生教授、李建新教授、万贤刚教授以及于顺利副教授等人通力合作,利用中子散射结合理论模拟对三维反铁磁体Cu3TeO6进行研究,首次在真实材料体系中观测到了三维拓扑磁振子激发。该研究成果以“Discovery of coexisting Dirac and triply degenerate magnons in a three-dimensional antiferromagnet”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 9, 2591 ]。这是温锦生教授课题组近一年多来在量子磁性方面在国际权威期刊发表的第5篇文章,之前有4篇关于量子自旋液体的工作发表在《物理评论快报》上,其中有2篇也是与李建新教授课题组合作完成的。

  许志芳教授与清华大学尤力教授、德国汉堡大学Hemmerich教授和美国匹兹堡大学刘文胜教授合作,提出了一种由原子间相互作用导致的拓扑非平庸的玻色准粒子激发。着眼于Hemmerich教授在实验中实现的交错手征性玻色px±ipy超流,他们发现在超流体的准粒子激发谱中存在着π通量狄拉克玻色子。令人惊讶的是,通过调整px+ipy和px-ipy组分的粒子数,系统发生了拓扑相变,伴随着在狄拉克点附近打开一个拓扑非平庸的能隙和出现受拓扑保护的边缘激发。最引人注目的是,拓扑边缘激发是由背景的手征性玻色超流诱发的。这一特点使得该工作显著区别于其它的依赖于单粒子能带结构的研究。

该研究得到了科技部重点专项和国家自然科学基金委的基金支持。

文章链接

除了观察到理论所预言的狄拉克磁振子以外,该团队还发现了超越狄拉克-外尔方程的新型玻色子——三重简并磁振子。如图1c和d中的H和H’点,每个点都分别在两个能量出现三重简并点。Γ点同时存在一个狄拉克点以及一个三重简并点,但是在能量上比较接近,实验上难以分辨。这些高对称点上的能带交点,不依赖于理论模型,受到材料本身的对称性保护。我们的理论计算表明,在每一个三重简并点附近,磁振子能带由两条线性色散能带和一条平带交叉组成,因此,这些磁振子为三分量的磁振子,不同于狄拉克或外尔磁振子。

  8月15日,物理学权威学术期刊《物理评论快报》刊发了物理学院许志芳教授与合作者在拓扑玻色超流方面的最新研究成果:《玻色手征性p波超流中的π通量狄拉克玻色子和拓扑边缘激发》,许志芳教授为该论文第一作者兼共同通讯作者。

论文链接

近日,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等在国际上首次实现了一种全新的量子物态——质量不平衡的玻色-费米双超流体,并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这一实验发现开辟了超冷原子领域全新的研究方向,为理解复杂宏观量子现象提供了一种独特的研究手段。该成果发表在9月27日出版的《物理评论快报》上[PhysicalReviewLetters117,145301]。《物理评论快报》以编辑推荐(Editors’Suggestion)的形式报道了这项研究成果,美国物理学会网站PhysicsSynopsis栏目将该成果作为亮点报道。

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  该工作得到了国家自然科学基金的资助。

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北京大学李源与中科院物理所方辰课题组合作提出Cu3TeO6是一个狄拉克磁振子体系[PRL 119, 247202 ]。如图1a所示,该材料具有立方结构,是一个三维共线的反铁磁体,磁矩方向指向体对角线方向。温锦生与李建新联合团队生长了该材料的高质量、大尺寸单晶,采用中子散射这一能够在动量-能量空间直接探测材料磁激发的手段对这些单晶进行了研究,得到了完整、清晰的磁激发谱,部分结果如图1c、d所示。从磁激发谱上看,高对称点位置,例如图1c的H点以及Γ点,能带交点清晰可见。结合对称性分析,这些交点具有稳定的拓扑属性。

图:BEC-BCS过渡中,涡旋可以经历不同的几何结构相变:从正方形到平行四边形,再到三角形格子。

玻色-费米量子涡旋晶格

(物理学院 科学技术处)

该项研究的预印本于2016年6月在arXiv.org公开后,引起学术界的广泛关注,获得了国际同行的高度评价。诺贝尔物理学奖得主W.Ketterle评价其为“一个精彩绝伦的实验工作”;诺贝尔物理学奖得主A.Leggett认为,这是“极为重要的实验工作,毫无疑问将激发大量的理论研究”;麻省理工学院教授M.Zwierlein称其为“超流研究领域一个里程碑式的工作”。《物理评论快报》审稿人认为这是超冷原子研究领域“一个最顶尖的实验工作”,“超流研究中最具竞争力的实验工作,为研究质量不平衡的双超流系统铺平了道路。”

实际上,根据拓扑能带理论,能带结构的拓扑属性不依赖于体系中准粒子的统计属性。这意味着除了拓扑费米子之外,拓扑玻色子也应当存在。到目前为止,拓扑玻色子在光子晶体、声子晶体等人造材料中被广泛实现,然而却很少在真实材料中被发现。磁振子作为自旋波量子——磁有序材料磁激发的准粒子,拥有玻色子的属性。虽然也有大量的理论工作提出了各种磁振子拓扑态,实验上一直鲜有报道,特别是在三维体系中,还未有拓扑磁振子态被发现。在拓扑磁振子系统中,非零的贝利曲率会导致电中性的磁振子具有反常热霍尔效应,并且非平庸的能带结构会使体系出现受拓扑保护的表面态,这些性质使得拓扑磁振子材料在发展高效率、低耗散的新型电子自旋器件上具有十分重要的应用前景。因此,在实验上找到这样的材料具有重要意义。

自从实现液氦-3费米超流以来,物理学家们就不断尝试将具有不同统计性质的两种液氦混合在一起,以期能实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态。科学家们认为在这种量子物态中将会存在一种独特的相互作用,能够被用来研究和理解超导中的电声子耦合。令人遗憾的是,由于氦原子之间的相互作用太强,即使将液氦冷却至100μK以下,仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。与液氦相比,超冷原子具有无与伦比的可控性与纯净性,已逐渐成为实现并研究超流体最为理想的物理体系。

南京大学物理学院温锦生教授课题组的博士生鲍嵩、王靖珲和李建新教授课题组的博士生王巍为共同第一作者,于顺利副教授、万贤刚教授、李建新教授和温锦生教授为共同通讯作者。实验研究由温锦生教授课题组完成,理论研究由李建新教授及万贤刚教授课题组负责完成。其中,中子散射实验工作在美国橡树岭国家实验室散裂中子源的ARCS谱仪上完成。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大研发计划、一流大学和一流学科建设计划、人工微结构协同创新中心的支持。

为了进一步确认研究团队前期结论,该团队基于线性自旋波理论,采用一个以最近邻磁相互作用J1为主要项的模型进行了计算,很好地描述了实验观测到的磁激发谱。理论计算所得到的能带如图1c,d白线所示。分析表明,图1d中,在动量空间P点的不同能量位置存在三个狄拉克点,靠近这些狄拉克点的线性磁振子激发可以用狄拉克方程描述,因此这些准粒子为狄拉克磁振子。该结果跟早前的理论预言吻合得很好[PRL 119, 247202 ]。

该工作首次在一个真实的三维磁性材料中观测到拓扑磁振子激发,丰富了材料科学;发现了一种狄拉克和三重简并磁振子共存的新颖拓扑态,加深了人们对于拓扑能带理论的理解;对于量子拓扑领域的发展具有重要意义。

将“拓扑”这一数学概念引入物理学后,一方面推动了基础物理学研究的发展,另外一方面也促使了大量新颖拓扑量子材料的出现,例如石墨烯、拓扑绝缘体、三维狄拉克半金属以及外尔半金属等,大大地丰富了材料科学,为低耗散、更稳定的下一代电子器件的发展奠定了材料基础。这些材料中具有拓扑属性的准粒子是满足费米统计的电子,即费米子。这些费米子的能带具有拓扑性质,其两条线性交叉的色散可以用狄拉克或外尔方程进行描述,分别对应着狄拉克或外尔费米子。除此之外,还可能存在超越狄拉克-外尔框架的新的费米子,如三重简并费米子。与狄拉克或外尔费米子不同的是,三重简并费米子具有二条线性能带和一条平带交叉的能带结构。

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