科學家實現對三重簡並拓撲單極子的量子模擬

記者20日從中國科學技術大學了解到，該校中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、林毅恒等人與中科院量子資訊重點實驗室羅希望等合作，通過發展高自旋離子阱體系的調控技術，實現了對三重簡並拓撲單極子的量子模擬，觀測到具有不同拓撲荷的單極子之間的相變，並展示了自旋張量在其中的重要作用。相關研究成果日前發表在《物理評論快報》上。

拓撲物態是當前物理研究的前沿和主流領域之一，為新材料、新器件的設計帶來了新的思路，甚至對深入理解宇宙基本粒子的性質具有重要意義。科學家發現，拓撲在凝聚物質的一些物理特性上也起到關鍵作用，這些物理特性不依賴樣品的細節，完全由系統狀態的整體拓撲性質確定。例如，在一些半金屬材料中，能帶簡並點形成的類似單極子的拓撲結構可以具有不同的拓撲荷，探索他們之間的拓撲相變是目前的前沿研究方向之一。同時，簡並點附近的準粒子激發表現出類似基本粒子的行為，探索其拓撲相變對於探索新型粒子也具有重要意義。

此項研究中，研究人員針對拓撲相變中的一類重要費米子——三重簡並費米子模型進行實驗模擬。該模型對應自旋為1的拓撲單極子，在近期的研究中受到廣泛關注。然而，在固體材料體系中，直接觀測這種三重簡並點的拓撲相變需要複雜的調控，目前難以實現。因此，高度可控的量子模擬器為研究拓撲現象提供了新的途徑。研究人員介紹，該研究通過使用在超高真空環境束縛的鈹離子，結合微波、射頻等的精準調控，構建多能級的量子體系，可以有效觀測自旋為1的拓撲單極子的行為。通過調控實驗參數，研究人員清晰地觀測到量子態的拓撲相變，並且提取出高階自旋張量在其中的貢獻。

這項研究成果發展出的高度可調控的多能級束縛離子系統，為研究高自旋物理提供了良好的平臺，併為進一步研究新奇高階拓撲簡並態以及其他拓撲單極子現象鋪平了道路。