中国科学技术大学（以下简称中国科大）潘建伟院士、陈帅教授等与北京大学刘雄军教授等合作，在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得重要进展。他们在国际上首次利用超冷原子体系实现了三维自旋轨道耦合，并构造出有且仅有一对外尔点的理想外尔半金属能带结构。该研究成果近日发表于《科学》。
外尔半金属是一类重要的拓扑物态，其能带中的外尔点结构具有许多奇异的性质：它是一种拓扑磁单极子，且总是成对出现，其附近的低能激发的运动模式符合“外尔费米子”的方程。有且仅有两个外尔点的外尔半金属——理想外尔半金属，是外尔半金属“家族”中最基础的一员。
超冷原子体系具有环境干净、高度可控等重要特性，通过超冷原子研究拓扑量子物态是目前量子模拟领域中的热点，其中人工合成自旋轨道耦合是实现拓扑物相的一项重要技术。实现外尔半金属等高维拓扑物态的模拟，三维自旋轨道耦合是其必要条件，意味着需要构建更加复杂的三维非阿贝尔规范势，但是这一直是超冷原子量子模拟领域的重大挑战。
为实现三维自旋轨道耦合和理想外尔半金属能带，研究团队设计了巧妙的光路，通过将光晶格“旋转”45°，并将相位锁定，准确构造出理论方案中三维结构的拉曼势，合成三维自旋轨道耦合，同时通过调节实验参量合成了有且仅有两个外尔点的能带结构，并用两种方法印证了理想外尔半金属能带的实现。（桂运安）
