中國科學家開啟超冷原子量子模擬“一扇門”

中新社北京10月11日電 題：中國科學家開啟超冷原子量子模擬“一扇門”

中新社記者 張素

潘建偉、劉雄軍、陳帥等中國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破，相關成果發表在學術期刊《科學》上，業界評論其“對研究超越傳統凝聚態物理的奇異現象具有重大潛力”。

“我們的工作僅是打開一扇門。”11日在北京舉行的成果發布會上，研究者解釋這是怎樣的“一扇門”。

超冷有多“冷”？

科學家們經過長期積累，已經掌握原子冷卻技術，比如華裔科學家朱棣文開創激光冷卻并捕捉原子，由此在1997年獲得諾貝爾物理學獎。

超冷原子是指原子的溫度接近絕對零度(零下273.15攝氏度)，這時將出現玻色—愛因斯坦凝聚態，即原本狀態不同的原子凝聚到同一狀態。2001年諾貝爾物理學獎授予了首次從實驗上實現玻色—愛因斯坦凝聚態的科學家。

中國科學技術大學教授潘建偉說，冷原子具有環境干凈、高度可控等重要特性。過去五年間，科學家們已在冷原子上進行一維人工自旋軌道耦合實驗，并取得系列成果。

“原子自旋相當于地球的自轉，軌道運動相當于地球公轉。”北京大學教授劉雄軍對記者說，“耦合”即相互作用。人們發現，原子自旋軌道耦合導致出現多種基本物理現象和新奇量子物態，衍生出自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等前沿領域。

不過，想要探索更廣泛的量子物態必須獲得二維以上的自旋軌道耦合，也就是從單一鏈條上“某個方向運動”擴展到“在不同的方向、以不同的方式運動”。但因缺少技術手段，探索止步于“一維”。

如何升“二維”？

劉雄軍曾于2009年巧妙利用兩條激光誘導原子軌道產生變化，設計出運動的理論方程式。2014年，他在前期工作的基礎上突破了一維的局限，提出了易于實現的理論方案，構成了二維自旋軌道耦合系統。

以往中外科學家進行相關實驗曾存在缺陷，比如光的控制相位不穩定，這對于“敏感”且需要精密可控的冷原子來說是“致命干擾”。

中國科學技術大學教授陳帥告訴中新社記者，實驗小組研發出超精密激光和磁場調控技術，制備出質量好的超冷原子體系。

基于中科院—阿里巴巴量子計算聯合實驗室的支持，研究者還得到量子模擬技術的“加持”。潘建偉說，在凝聚態物理現象研究領域的傳統方法是用現實材料，但隨著原子數目增加、體系愈發復雜，經典計算機已經“算不動”，只有靠量子計算出馬。

有了順手的“工具”，中國科大—北大聯合團隊在國際上首次理論提出并實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，從理論到實驗都是“中國造”。

“門”后的世界

諾貝爾物理學獎得主楊振寧早有判斷，冷原子領域的理論和實驗是互相驅動，從上世紀50年代開始“理論帶著實驗走”，接下來實驗將驅動理論發展。

打開這扇門以后，“各種奇異態都有可能出現。”潘建偉說，研究團隊一方面將繼續拓展理論方程式，另一方面是根據理論發展新技術，加入其它相互作用，比如發現新的拓撲相物質——2016年諾貝爾物理學獎正是為表彰科學家在物質拓撲相變方面的理論發現。

《科學》雜志評論稱，潘建偉、劉雄軍、陳帥等人的研究還將被其他科學家廣泛應用，“也許有些小組在看到這篇文章后已經開始跟進”。

正如大部分理論研究一樣，這項研究的“錢景”不會太明朗。科學家們幽默地說，簽署合作協議時就與企業講明“未來15年內沒有商業價值”。但這種由企業為理論研究投資至少已為企業帶來兩項好處：改善形象，擁有優先轉化權和專利購買權。(完)