【中国科学报】拓扑相变量子模拟获进展-中国科大新闻网

本报讯（见习记者王敏）中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、林毅恒教授等人与中科院量子信息重点实验室罗希望教授等合作，在拓扑相变量子模拟方面取得重要进展。他们通过发展高自旋离子阱体系的调控技术，实现了对三重简并拓扑单极子的量子模拟，观测到具有不同拓扑荷的单极子之间的相变，并展示了自旋张量在其中的重要作用。该研究成果日前发表于《物理评论快报》。

拓扑源自数学，指在局部的连续变化下保持不变的整体性质。比如面包圈和茶杯拓扑等价，这是由于它们都有一个穿透的洞，而洞的个数是一个拓扑性质，对应拓扑荷。科学家发现，拓扑在凝聚物质的一些物理特性上起关键作用，这些物理特性不依赖样品的细节，完全由系统状态的整体拓扑性质确定。而拓扑相变——具有不同拓扑性质的状态之间的转变，一定是不连续的跃变。例如在一些半金属材料中，能带简并点形成的类似单极子的拓扑结构可以具有不同的拓扑荷，探索它们之间的拓扑相变是目前前沿研究方向之一。同时，简并点附近的准粒子激发表现出类似基本粒子的行为，探索其拓扑相变对于研究新型粒子具有重要意义。

该研究针对拓扑相变中一类重要的费米子——三重简并费米子模型进行实验模拟。该模型对应自旋为1的拓扑单极子。然而，在固体材料体系中，直接观测这种三重简并点的拓扑相变需要复杂调控，目前难以实现。因此，高度可控的量子模拟器为研究拓扑现象提供了新途径。

研究人员使用在超高真空环境束缚的铍离子，结合微波、射频等的精准调控，构建多能级量子体系，可以有效观测自旋为1的拓扑单极子的行为。通过调控实验参数，研究人员清晰地观测到了量子态的拓扑相变，并且提取出了高阶自旋张量在其中的贡献。

研究人员介绍，该工作发展出的高度可调控的多能级束缚离子系统，为研究高自旋物理提供了良好的平台，并为进一步研究新奇高阶拓扑简并态，以及其他拓扑单极子现象铺平了道路。

审稿人高度评价该工作：“自旋-张量-动量的耦合可以通过自旋为1的系统生成，导致与自旋1/2不同的有趣的量子现象。这项工作很重要。”