【儀表網 儀表研發】中國科學技術大學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，在拓撲相變量子模擬方面取得重要進展。通過發展高自旋離子阱體系的調控技術，實現了對三重簡并拓撲單極子的量子模擬，觀測到具有不同拓撲荷的單極子之間的相變，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，發表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)] 。
 

　　拓撲物態是當前物理研究的前沿和主流領域之一，為新材料、新器件的設計帶來了新的思路，乃至對我們深入理解宇宙基本粒子的性質都具有重要的意義。2016年，諾貝爾物理學獎便授予了在拓撲物理學方面做出開創性貢獻的三位科學家。拓撲源自于數學，指在局部的連續變化下保持不變的整體性質。比如面包圈和茶杯拓撲等價，這是由于他們都有一個穿透的洞，而洞的個數是一個拓撲性質，對應拓撲荷?？茖W家發現，拓撲在凝聚物質的一些物理特性上也起到關鍵作用，這些物理特性不依賴樣品的細節，完全由系統狀態的整體拓撲性質確定。而拓撲相變——具有不同拓撲性質的狀態之間的轉變——一定是不連續的躍變。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撲結構可以具有不同的拓撲荷，探索他們之間的拓撲相變是目前的前沿研究方向之一。同時，簡并點附近的準粒子激發表現出類似基本粒子的行為，探索其拓撲相變對于探索新型粒子也具有重要意義。
 

　　此項研究針對拓撲相變中的一類重要的費米子——三重簡并費米子模型進行實驗模擬。該模型對應自旋為1的拓撲單極子，在近期的研究中受到廣泛關注。然而，在固體材料體系中，直接觀測這種三重簡并點的拓撲相變需要復雜的調控，目前難以實現。因此，高度可控的量子模擬器為研究拓撲現象提供了新的途徑。這項研究中，通過使用在超高真空環境束縛的鈹離子，結合微波、射頻等的精準調控，構建多能級的量子體系，可以有效的觀測自旋為1的拓撲單極子的行為。通過調控實驗參數，研究人員清晰的觀測到量子態的拓撲相變，并且提取出高階自旋張量在其中的貢獻(圖1所示)。該工作發展出的高度可調控的多能級束縛離子系統，為研究高自旋物理提供了良好的平臺，并為進一步研究新奇高階拓撲簡并態以及其他拓撲單極子現象鋪平了道路。
 

　　圖1. 自旋為1的拓撲量子模擬實驗結果。左圖：實驗觀測到的拓撲相變行為，其中 β>-2 對應拓撲荷為2， β<-2 對應拓撲荷為0；不同顏色的數據代表拓撲相變中各種分量的貢獻，其中黃色數據代表張量部分的貢獻，實線為對應的理論預測結果。右圖：實驗觀測張量橢球在拓撲相變點 β≈-2 附近的幾何環繞行為。自旋張量橢球在參數空間中特定回路的演化，可以清晰的反應張量對拓撲荷的貢獻。
 

　　研究中使用的離子阱實驗系統屬于近幾年迅速發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、林毅恒教授帶領團隊從無到有搭建了實驗平臺，并成功發展了一系列新型的高自旋操控技術，包括使用動力學去耦將三能級狀態相干時間提高一個數量級[Phys. Rev. A. 106, 022412 (2022)]；通過解析模型輔助的形狀脈沖，以實現四能級系統的兩個近鄰躍遷之間的快速普適調控[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。中科院量子信息重點實驗室羅希望教授、美國德克薩斯大學達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的系統生成，導致與自旋1/2不同的有趣的量子現象。這個工作是有意思的和重要的。”)
 

　　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基金、中科院、科技部、安徽省的資助。(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、物理學院、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)