中國科學技術大學潘建偉、陳帥等與北京大學劉雄軍等合作，在超冷原子模擬拓撲量子材料方面取得了重要進展。研究團隊在國際上首次利用超冷原子體系實現(xiàn)了三維自旋軌道耦合，并構造出有且僅有一對外爾點的理想外爾半金屬能帶結(jié)構。該研究成果于4月16日以研究長文的形式發(fā)表在國際學術期刊《科學》雜志上。

外爾半金屬是一類重要的拓撲物態(tài)，其能帶中的外爾點結(jié)構具有許多奇異的性質(zhì)：它是一種拓撲磁單極子，且總是成對出現(xiàn)，在其附近的低能激發(fā)的運動模式符合“外爾費米子”的方程，最早于1929年由德國科學家赫爾曼·外爾提出。有且僅有兩個外爾點的外爾半金屬—理想外爾半金屬，是外爾半金屬“家族”中最基礎的一員。在凝聚態(tài)材料中，盡管近幾年外爾半金屬材料取得諸多重要進展，這種僅有兩個外爾點的外爾半金屬尚未實現(xiàn)。

超冷原子體系具有環(huán)境干凈，高度可控等重要特性，通過超冷原子研究拓撲量子物態(tài)目前是量子模擬領域中一個活躍的方向，其中人工合成自旋軌道耦合是實現(xiàn)拓撲物相的一項重要技術。實現(xiàn)外爾半金屬等高維拓撲物態(tài)的模擬，三維自旋軌道耦合是其必要條件。這意味著需要構建更加復雜的三維非阿貝爾規(guī)范勢，一直是超冷原子量子模擬領域的重大挑戰(zhàn)。

由于該工作開啟了超越傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理的外爾型拓撲物理的量子模擬，《科學》雜志在同期的視點欄目專門配發(fā)了評論文章。《科學》雜志的審稿人對這一工作給予了高度評價，認為這項工作“為冷原子體系研究外爾物理中的新奇現(xiàn)象打開了新的方向”“作為三維自旋軌道耦合在冷原子體系的首次實現(xiàn)，是領域中的重要進展，并為冷原子研究提供了新的工具”“對理想外爾點的實現(xiàn)是非常有價值的結(jié)果，為固體系統(tǒng)提供了起到互補作用的研究方向”。

據(jù)介紹，在該研究工作的基礎上，研究團隊將進一步開展外爾半金屬中更奇特的現(xiàn)象和物理過程的探索。本工作的技術方案也可以推廣到費米子體系，開展強關聯(lián)拓撲物理的研究。該成果有望極大推動量子模擬領域的發(fā)展。