基於超冷原子體系的拓撲態量子模擬與調控

《基於超冷原子體系的拓撲態量子模擬與調控》是依託華南師範大學，由張丹偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於超冷原子體系的拓撲態量子模擬與調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張丹偉
• 依託單位：華南師範大學

項目摘要

超冷原子具有高度可控性，是實現量子模擬的理想體系，為探索複雜凝聚態物理現象以及開發新型量子器件提供嶄新的平台。拓撲量子態是當前凝聚態物理的研究前沿，具有重要的學術價值與套用前景，然而許多拓撲態很難在固體材料中實現。因而，本項目旨在探索新奇拓撲態的物理特性及其在超冷原子體系中的量子模擬問題，擬主要研究如下內容：（1）在冷原子體系中通過設計合適的人工磁場或自旋軌道耦合結構，模擬拓撲外爾、Nodal-line與Z2半金屬態及其新穎效應；（2）基於冷原子量子泵浦和線性回響的量子動力學過程，發展可行方法探測上述拓撲態的Z2指標等拓撲性質；（3）探索操控冷原子體系中的外爾準粒子，實現拓撲相變和開發手征霍爾器件，以及操控馬約拉納(Marajora) 準粒子等拓撲激發，檢驗非阿貝爾統計特性。本項目致力於提出實現、探測和操控新奇拓撲態的冷原子方案，擴展凝聚態體系拓撲現象的研究，為實驗研究提供理論支持。

結題摘要

超冷原子具有高度可控性，是實現量子模擬的理想體系，為探索複雜凝聚態物理現象以及開發新型量子器件提供嶄新的平台。拓撲量子態是當前凝聚態物理的研究前沿，具有重要的學術價值與套用前景，然而許多拓撲態很難在固體材料中實現。本項目旨在探索新奇拓撲態的物理特性及其在超冷原子體系中的量子模擬問題，主要研究內容和取得的重要成果包括：（1）提出了幾種新奇拓撲物態冷原子實現方案，包括冷原子模擬不同外爾半金屬、Nodal-line半金屬與新型Maxwell拓撲金屬等無能隙拓撲態，以及實現三維推廣的Hofstadter模型及其新奇的三維量子霍爾效應的可行方案。（2）提出了冷原子和超導人工原子體系拓撲性質的可行探測方法，包括提出了基於冷原子量子泵浦探測拓撲能帶的拓撲性質；提出了基於線性回響的非絕熱量子動力學方法，探測冷原子體系的拓撲性質，並將此方法推廣到了高自旋系統，利用此方法在超導人工原子實驗中直接測量陳數大於1的拓撲荷；提出了基於淬火直接測量量子度規的方案，並在超導人工原子中實驗實現。（3）提出了冷原子拓撲物態中準粒子的操控，主要包括操控外爾準粒子的方法，實現拓撲相變和模擬手征磁效應等拓撲現象；理論預言了有噪聲情況下的動力學量子相變過程中拓撲激發的標度行為出現anti-Kibble-Zurek機制。項目執行期間，共發表標註基金的論文19篇，其中SCI論文17篇。項目負責人作為（共同）第一或通訊作者論文發表的代表性論文包括：Advances in Physics 1篇，Physical Review Letters 2篇，Physical Review系列8篇，Optical Express 1篇，Physics Letters A 2篇。本項目的科學意義在於提出實現、探測和操控新奇拓撲量子物態的冷原子方案，擴展凝聚態體系拓撲現象的研究，為實驗研究提供理論支持，例如提出的Maxwell拓撲金屬能帶的模擬與探測以及量子度規的測量方案已在超導人工原子體系中實驗實現。