科学研究
科研成果
刘雄军组和合作者发表三维手性拓扑绝缘体的量子模拟
发布日期:2020-08-08浏览次数:

最近北京大学量子材料中心刘雄军组和中国科学技术大学杜江峰及王亚组利用量子淬火动力学模拟了凝聚态体系中难以实现的三维手性拓扑绝缘体,并第一次对体内和表面的拓扑物理进行了全面的量子模拟研究。该研究以”Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator ”为题,发表在近期的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。该工作是近年来刘雄军组提出的平衡态拓扑物相的动力学表征理论所推动的有关研究的最新进展。

凝聚态体系中拓扑物相的发现革新了对量子物质基本相的认识,相关研究发展成为凝聚态物理的主流研究方向。拓扑材料的基本特性是在体内具有非平凡拓扑,边界则出现和体拓扑相对应的边界态。在过去的十多年里,人们在寻找新奇拓扑物质方面取得了大量突破,发现了诸多新的拓扑相。尽管如此,在理论预言的众多拓扑物态中,目前仍只有很小的一部分在凝聚态实验中被观察到。量子模拟作为一种前沿的技术,可以超越真实体系所受的限制,为探索和研究各种奇异的量子物相提供了一种强有力的手段。诸多拓扑物理在各种量子模拟器上成功实现,比如在超冷原子中,这包括ETH组实现的二维Haldane模型[Nature 515, 237 (2014)]、北大刘雄军组和中国科大组实现的自旋轨道耦合下的量子反常霍尔效应最小模型[Science 354, 83 (2016)]、北大刘雄军组和香港科大组实现的一维手性拓扑相[Sci. Adv. 4, aao4748 (2018)]及节线三维半金属[Nat. Phys. 15, 911 (2019)]。通常量子模拟器上只能模拟拓扑体态或者边界态,但无法做到同时模拟体内和边界,进而准确研究体-边对应。刘雄军组在2018年提出了平衡态拓扑物相的动力学表征理论(Science Bull. 63, 1385 (2018)),其中一项基本结论是动量空间存在普适的体-面(能带反转面)对应,类同于拓扑相在实空间的体-边对应。这使得方便进行量子模拟。这项工作为基于量子模拟完整研究体和边的拓扑物性提供了理论基础,并在近两年促进了大量的理论和实验相关研究。

中国科大杜江峰院士和王亚教授基于金刚石NV色心体系发展了新的量子模拟器,以此可以对各类拓扑物理开展量子模拟。他们与北京大学刘雄军教授合作,利用金刚石NV色心体系作为量子模拟器,在实验上模拟了一个凝聚态体系中难以实现的三维手性拓扑绝缘体,并对三维体内和二维能带反转面的拓扑物理进行了全面的实验研究。该工作利用量子淬火过程中的动力学,首先观测了三维手性拓扑相的体内拓扑与二维能带反转面上衍生的非平庸淬火动力学之间的对应关系,即动量空间中的动力学体-面对应关系,类同于实空间中的体-边对应。利用这种新的研究方法,该工作中实验观测了手性对称性对拓扑相的保护,验证破坏对称性带来的影响,并探测到拓扑荷以及北大理论组早先预言的淬火过程中演生的动力学拓扑转变。这些结果展示了这种量子模拟对于拓扑相体-边物理完整研究的优势,以及这些技术有潜力被应用于更广泛的拓扑物理的研究。

这一成果近期发表在《物理学评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。北京大学量子材料中心的博士研究生张林同学和中国科学技术大学物理学院的博士研究生季文韬同学为文章共同第一作者,量子材料中心的张龙博士也参与了工作。量子材料中心的刘雄军教授和中国科大杜江峰院士、王亚教授是共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院等的资助。