中国科学家开启超冷原子量子模拟“一扇门”

中新社北京10月11日电 题：中国科学家开启超冷原子量子模拟“一扇门”

中新社记者 张素

潘建伟、刘雄军、陈帅等中国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破，相关成果发表在学术期刊《科学》上，业界评论其“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

“我们的工作仅是打开一扇门。”11日在北京举行的成果发布会上，研究者解释这是怎样的“一扇门”。

超冷有多“冷”？

科学家们经过长期积累，已经掌握原子冷却技术，比如华裔科学家朱棣文开创激光冷却并捕捉原子，由此在1997年获得诺贝尔物理学奖。

超冷原子是指原子的温度接近绝对零度(零下273.15摄氏度)，这时将出现玻色—爱因斯坦凝聚态，即原本状态不同的原子凝聚到同一状态。2001年诺贝尔物理学奖授予了首次从实验上实现玻色—爱因斯坦凝聚态的科学家。

中国科学技术大学教授潘建伟说，冷原子具有环境干净、高度可控等重要特性。过去五年间，科学家们已在冷原子上进行一维人工自旋轨道耦合实验，并取得系列成果。

“原子自旋相当于地球的自转，轨道运动相当于地球公转。”北京大学教授刘雄军对记者说，“耦合”即相互作用。人们发现，原子自旋轨道耦合导致出现多种基本物理现象和新奇量子物态，衍生出自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等前沿领域。

不过，想要探索更广泛的量子物态必须获得二维以上的自旋轨道耦合，也就是从单一链条上“某个方向运动”扩展到“在不同的方向、以不同的方式运动”。但因缺少技术手段，探索止步于“一维”。

如何升“二维”？

刘雄军曾于2009年巧妙利用两条激光诱导原子轨道产生变化，设计出运动的理论方程式。2014年，他在前期工作的基础上突破了一维的局限，提出了易于实现的理论方案，构成了二维自旋轨道耦合系统。

以往中外科学家进行相关实验曾存在缺陷，比如光的控制相位不稳定，这对于“敏感”且需要精密可控的冷原子来说是“致命干扰”。

中国科学技术大学教授陈帅告诉中新社记者，实验小组研发出超精密激光和磁场调控技术，制备出质量好的超冷原子体系。

基于中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室的支持，研究者还得到量子模拟技术的“加持”。潘建伟说，在凝聚态物理现象研究领域的传统方法是用现实材料，但随着原子数目增加、体系愈发复杂，经典计算机已经“算不动”，只有靠量子计算出马。

有了顺手的“工具”，中国科大—北大联合团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，从理论到实验都是“中国造”。

“门”后的世界

诺贝尔物理学奖得主杨振宁早有判断，冷原子领域的理论和实验是互相驱动，从上世纪50年代开始“理论带着实验走”，接下来实验将驱动理论发展。

打开这扇门以后，“各种奇异态都有可能出现。”潘建伟说，研究团队一方面将继续拓展理论方程式，另一方面是根据理论发展新技术，加入其它相互作用，比如发现新的拓扑相物质——2016年诺贝尔物理学奖正是为表彰科学家在物质拓扑相变方面的理论发现。

《科学》杂志评论称，潘建伟、刘雄军、陈帅等人的研究还将被其他科学家广泛应用，“也许有些小组在看到这篇文章后已经开始跟进”。

正如大部分理论研究一样，这项研究的“钱景”不会太明朗。科学家们幽默地说，签署合作协议时就与企业讲明“未来15年内没有商业价值”。但这种由企业为理论研究投资至少已为企业带来两项好处：改善形象，拥有优先转化权和专利购买权。(完)