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中国科大实现拓扑相识别和其相变探测
( 2017-10-17 )

  中国科大杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在探测拓扑相研究方面取得重要进展,实验室核磁实验组的彭新华教授与理论合作者复旦大学孔令欣教授和万义顿教授合作,在国际上首次利用量子模拟方法,通过高精度量子控制实验手段在原理上唯一识别了一类二维晶格体系的不同拓扑相,探测并证实了这类拓扑相存在的广泛区域,向着利用实验手段研究复杂的量子物质和实现拓扑量子计算的方向迈出了重要一步。伦敦时间10月16日,该成果以研究长文的形式发表在国际权威学术期刊《自然·物理》(Nature Physics) 上。

 

  自二十世纪八十年代在分数量子霍尔系统中首次观测到拓扑序后,物质相的现代概念经历了巨大的发展。近几十年来,凝聚态物理的最前沿都被这类新的具有拓扑序的物质态的研究所主导。这个领域的研究不仅对新一代电子元件和超导体会十分重要,而且还在未来容错拓扑量子计算方面有着潜在的应用前景。

 

  自拓扑序的概念提出后,凝聚态物理中对不同相进行区分的这一基本重要问题又面临了一个全新的研究对象。这类新的拓扑序超出了传统的郎道对称破缺理论描述的范畴,对此大量的理论研究工作不断涌现,例如利用基态简并度、拓扑纠缠熵以及简并基态的非阿贝尔几何相(准粒子统计和拓扑自旋性质)等。理论研究表明,非阿贝尔几何相表现在模群中的S、T矩阵可以唯一识别二维系统中无手性玻色性拓扑序。然而,拓扑序的实验实现和其拓扑性质的实验探测一直以来面临着巨大的挑战。

 

  本工作中,研究人员利用量子模拟的方法设计并实验演示了在不需要基态解析解的先验知识——即只有系统哈密顿量形式也能直接测量和重构出具有拓扑特征的ST矩阵,并识别出拓扑相及获得其拓扑指纹。同时,研究人员在被研究体系哈密顿量中引入偏离精确可解模型的失谐项和破坏所有意外对称性的无序项,实验模拟了一类具有非零关联长度的不可解自旋模型,进一步成功地利用模矩阵的突变实验验证了这类拓扑序存在的鲁棒性以及相空间中的相变点。另外,实验结合并改良了实验组研发的新颖技巧,利用随机绝热法制备线性独立的基态组,制备中仅仅需要被研究体系哈密顿量的近似点群对称性的信息,克服了先前量子模拟实验中需要直接制备按照可解模型求得的基态的困难。

 

  十多年前,杜江峰研究团队就开始了对量子模拟的实验研究并取得了一系列成果。在拓扑问题的量子模拟研究方面,他们于2003年首次观测到混合量子态的几何相位[Phys. Rev. Lett. 91, 100403 (2003)],2014年实现了文小刚自旋模型拓扑态及其拓扑相变的量子模拟[Phys. Rev. Lett. 113, 080404 (2014)],2016年在金刚石色心量子模拟器上演示了拓扑数的直接测量并观测到拓扑量子相变[Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016)]。此次研究成果将进一步推动拓扑相和拓扑相变以及奇异性质和拓扑量子计算的实验研究。

 

  中科院微观磁共振重点实验室博士生罗智煌是文章的第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部以及上海市科委的资助。

 

(量子信息和量子科技前沿协同创新中心)

 

  附文章连接:

  https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4281.html



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