科学家实现对三重简并拓扑单极子的量子模拟

记者20日从中国科学技术大学了解到，该校中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、林毅恒等人与中科院量子信息重点实验室罗希望等合作，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。相关研究成果日前发表在《物理评论快报》上。

拓扑物态是当前物理研究的前沿和主流领域之一，为新材料、新器件的设计带来了新的思路，甚至对深入理解宇宙基本粒子的性质具有重要意义。科学家发现，拓扑在凝聚物质的一些物理特性上也起到关键作用，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。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，探索他们之间的拓扑相变是目前的前沿研究方向之一。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探索新型粒子也具有重要意义。

此项研究中，研究人员针对拓扑相变中的一类重要费米子——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，在近期的研究中受到广泛关注。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的调控，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的途径。研究人员介绍，该研究通过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，构建多能级的量子体系，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量子态的拓扑相变，并且提取出高阶自旋张量在其中的贡献。

这项研究成果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。