张靖教授团队在超冷原子物态调控方面取得重要进展
近日，光量子技术与器件全国重点实验室张靖教授课题组，基于自主搭建超冷原子实验平台，在石墨烯类蜂巢光晶格中，首次实现了狄拉克点处动量空间量子化涡旋的直接观测。这一研究揭示了由谐振子势与狄拉克点处赝自旋轨道耦合的非对易性诱导量子化涡旋的新机制，为探索多体量子系统中的拓扑物态提供了全新途径。相关成果以“Observation of quantized vortex in atomic Bose-Einstein condensate at Dirac point with emergent spin-orbit coupling”为题发表在Nature子刊Nature Photonics（影响因子：32.3，光子学领域顶级期刊）。
图1. 实验方案与原理。a. 实验装置示意图；b. 狄拉克点处的自旋轨道耦合；c. 能带结构与量子化涡旋态。
狄拉克点作为能带结构中的简并奇点，广泛存在于多种二维量子材料中。其独特的拓扑性质导致了包括电子奇异输运、手性效应和量子霍尔效应在内的丰富物理现象。在石墨烯、光子晶体以及光晶格冷原子等体系中，狄拉克点已成为模拟和研究拓扑物理的重要平台。然而，直接观测狄拉克点处的量子多体拓扑物态仍面临极大挑战。
张靖教授团队基于超冷铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体实验平台，通过精确调控激光频率加速光晶格，将原子绝热输运至狄拉克点附近，并利用谐振子势与狄拉克点处赝自旋–轨道耦合的非对易性，首次直接观测到凝聚体在动量空间中产生的量子化涡旋。进一步，通过调控光晶格深度和谐振子势阱的束缚频率，观测到超流相、涡旋超流相和莫特绝缘相之间的量子相变。
这一全新的狄拉克点处量子化涡旋产生机制可进一步推广至更复杂光晶格中的能级简并点，为探索更新奇的拓扑物理现象，如高阶涡旋以及三维外尔点处的狄拉克磁单极等，奠定了坚实的实验基础，也为量子多体拓扑物态的制备与操控开辟了新的途径。该工作是张靖教授团队继2023年在国际上首次实现超冷原子扭转双层光晶格 [Nature 615, 231 (2023)] 之后，在超冷原子量子模拟领域的又一重要突破，下一步将这两项工作结合，有望在超冷原子实现扭转双层石墨烯类蜂巢光晶格，用于模拟凝聚态领域的扭转双层石墨烯材料，研究非平庸拓扑平带和发现新奇的强关联量子效应。
图2. 蜂巢光晶格狄拉克点处的玻色气体量子相图。
实验室博士研究生李云达、韩伟教授和孟增明教授为共同第一作者，硕士研究生杨雯馨参与了相关实验工作，张靖教授和美国芝加哥大学Chen Ching教授为共同通讯作者。该研究得到科技创新2030重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及合肥国家实验室等的联合支持。