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

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

　　自旋-軌道耦合是很多重要物理現(xiàn)象的關鍵因素，例如原子中的精細結構以及近年發(fā)現(xiàn)的拓撲絕緣體等等。因此，對自旋-軌道耦合的研究和量子模擬也成為對這些現(xiàn)象深入理解以及進一步加以利用的有效手段。美國國家標準與技術研究院（NIST）的I. Spielman小組于2011年首先在實驗上合成了自旋-軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚體，并迅速成為人們關注和追蹤研究的熱點。隨后在2012年，山西大學的張靖小組，麻省理工學院的M. Zwierlein小組和中國科大的潘建偉小組也分別在超冷費米子和玻色子的實驗上實現(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）的轉變溫度在自旋-軌道耦合影響下的變化；實驗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轉變溫度的一致性。他們在這些現(xiàn)象的基礎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和熱力學效應的共同影響下所產(chǎn)生的豐富的物理內(nèi)容，是超冷原子量子模擬的一項重要進展，充分顯示出量子模擬的強大功能。 

　　上述研究得到了中國科學院、教育部、國家自然科學基金委、科技部重大研究計劃項目等的支持。