尤力研究组在超冷原子中拓扑态的研究方面取得进展

2016年4月14日

       拓扑绝缘体是一类具有无能隙表面态的绝缘体。拓扑绝缘体的一个原型,是Haldane的量子反常霍尔效应模型。它描述了在周期磁场下,无自旋费米子在六角晶格中的本征态和能谱。

    除了可以在凝聚态体系以及光子晶体体系中实现拓扑态以外,处于周期晶格中的超冷原子也可以用来实现拓扑绝缘态。对超冷原子而言,这个周期晶格一般是用激光驻波产生的,这种晶格被称为光晶格。而之前所有的用超冷原子生成拓扑绝缘态的实验都基于光晶格技术。

    最近,物理系低维量子物理国家重点实验室博士研究生余金龙,在导师尤力教授的指导下,与物理系吕嵘教授以及华中科技大学物理学院许志芳教授合作,提出了一种仅依赖于磁场调控就可以在超冷原子体系中生成拓扑非平庸的磁晶格的实验方案[图1]。

 

图1. 用不同空间取向的磁场脉冲序列(a,b)来合成等效周期磁场(c)

 

     这个方案生成的等效哈密顿量,在绝热极限下可以映射到Haldane模型[图2(a)-(b)]。通过调节磁场参数,该系统还可以驱动哈密顿量的最低能带产生一个由拓扑绝缘体到拓扑平庸的绝缘体之间的拓扑相变[图2(c)]。在相变点附近可以实现拓扑平带[图2(d)]。

 

图2. (a) 绝热极限下体系的绝热势以及几何矢势; (b) 系统的能谱; (c) 拓扑相变; (d) 拓扑平带

 

  他们提出的实验方案是国际上第一个用纯磁场调控的方法实现拓扑态的方案,为超冷原子体系中拓扑态的研究开辟了一条新的途径。该研究成果以Dynamical Generation of Topological Magnetic Lattices for Ultracold Atoms为题,发表在2016年4月7日的Physical Review Letters杂志上。该工作得到了科技部和国家自然科学基金委的经费资助。

   原文链接:http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.116.143003