最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陳帥等與清華大學(xué)翟薈小組合作，在超冷原子量子模擬研究領(lǐng)域取得重要突破，在超冷銣原子玻色氣體中人工合成自旋-軌道耦合的基礎(chǔ)上，首次在實(shí)驗(yàn)上成功確定自旋-軌道耦合玻色氣體在有限溫度下的相圖。該實(shí)驗(yàn)成果以封面標(biāo)題的形式發(fā)表在4月初出版的《自然·物理學(xué)》上，標(biāo)志著我國在超冷原子量子模擬的這一重要實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。 

　　凝聚態(tài)物理中由于復(fù)雜的多體相互作用導(dǎo)致的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，例如高溫超導(dǎo)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等等，很難直接得到求解，妨礙了人們對(duì)這類物理問題的深入理解和應(yīng)用�；�于超冷原子的量子模擬通過人工合成等效的量子體系，利用易于觀測(cè)的超冷原子在等效體系中的演化來模擬傳統(tǒng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中復(fù)雜的電子行為，為人類對(duì)某些重大凝聚態(tài)物理機(jī)制的理解開辟了一條更直觀的道路，在當(dāng)前被認(rèn)為是理解和解決諸多復(fù)雜物理系統(tǒng)和物理機(jī)理的最有力的手段。最近十余年來國際上超冷原子量子模擬實(shí)驗(yàn)研究的蓬勃發(fā)展充分地證明了這一點(diǎn)。 

　　自旋-軌道耦合是很多重要物理現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，例如原子中的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及近年發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體等等。因此，對(duì)自旋-軌道耦合的研究和量子模擬也成為對(duì)這些現(xiàn)象深入理解以及進(jìn)一步加以利用的有效手段。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的I. Spielman小組于2011年首先在實(shí)驗(yàn)上合成了自旋-軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體，并迅速成為人們關(guān)注和追蹤研究的熱點(diǎn)。隨后在2012年，山西大學(xué)的張靖小組，麻省理工學(xué)院的M. Zwierlein小組和中國科大的潘建偉小組也分別在超冷費(fèi)米子和玻色子的實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了自旋-軌道耦合。 

　　潘建偉、陳帥等首先利用拉曼耦合技術(shù)人工合成了自旋-軌道耦合的超冷銣原子玻色氣體。通過改變系統(tǒng)溫度，首次觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）的轉(zhuǎn)變溫度在自旋-軌道耦合影響下的變化；實(shí)驗(yàn)上確定了磁性平面波相BEC到非磁性條紋相BEC在非零溫度下的相變曲線；并且還觀察到在自旋－軌道耦合作用下，玻色氣體磁性的產(chǎn)生與BEC轉(zhuǎn)變溫度的一致性。他們?cè)谶@些現(xiàn)象的基礎(chǔ)上比較完整地描繪出有限溫度下自旋-軌道耦合玻色氣體的相圖。 

　　他們的發(fā)現(xiàn)使人們能夠更清楚地理解自旋-軌道耦合的玻色氣體的基本特性，展現(xiàn)了超冷量子氣體在相互作用效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)的共同影響下所產(chǎn)生的豐富的物理內(nèi)容，是超冷原子量子模擬的一項(xiàng)重要進(jìn)展，充分顯示出量子模擬的強(qiáng)大功能。 

　　上述研究得到了中國科學(xué)院、教育部、國家自然科學(xué)基金委、科技部重大研究計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。