【博科园–科学科普（关注“博科园”看更多）】对称性在理解复杂量子物质方面发挥着重要作用，尤其是在对近十年来引起极大兴趣的拓扑量子阶段进行分类时。一个突出的例子是时间反转不变的拓扑绝缘体，这是一种具有独特电子性质的相对较新类别的材料，很好理解为对称保护拓扑（SPT）材料。在最近的一项研究中，香港科技大学（科大）和北京大学（PKU）的国际实验和理论物理学家小组报告了用原子量子模拟观测超冷原子的SPT相。这项工作为拓展SPT物理学的研究范围打开了方法，使用超冷原子和研究这些外来系统中的非平衡量子动力学。他们的发现发表在2018年2月23日的科学进展期刊上。
超冷原子的量子模拟是理解和发展拓扑物质潜力的科学领域。图片版权：科大物理系
物体的形状可以根据拓扑进行分类。物理材料中的基础拓扑和对称性可以理解量子物质的一个奇特阶段。该团队为超冷原子创建了一个合成晶体，并首次模拟超出自然条件的一维（1-D）拓扑材料的关键属性。超低温原子比固体稀释10亿倍，但能够研究复杂的物理学，因为它们非常原始且可控。拓扑量子相的分类带来了SPT相的基本概念，这是在对称性保护下的外来状态，并且极大地扩展了我们对量子物质基本性质的理解。尽管如此，迄今为止固体材料中仅有一小部分理论预测的SPT相被发现，这主要是由于固态材料的复杂和不可控制的环境导致了很大的实现挑战。
北大助理教授和该论文的合着者刘雄军说：我们的工作在理论上预言了一种新型的SPT阶段，超越了传统的基于十倍方法的分类，并且在实验中观察到这样一个具有超冷原子的工程合成晶体的外来状态，这项工作实际上是超冷原子的SPT阶段的第一个实验实现，这为模拟和探测新型SPT物理提供了大量可能性。这项工作确实将拓扑物质的量子模拟带到了一个新的水平，这可能会导致材料科学和量子技术的巨大进步。科大物理系助理教授Gyu-Booong Jo解释说：此外由于完全可控性的优势，预计目前的工作将推动未来在相互作用SPT相的超冷原子实验中的研究，这些研究理论上广泛讨论，但很难在固态材料中进行研究。
