德思特案例 | 实验物理学重大突破！知名高校首次在量子模拟器中捕获拓扑欧尔绝缘体

一、破解脆弱拓扑的实验难题

在凝聚态物理的前沿，对称性在物质拓扑相的分类中扮演着至关重要的角色。然而，有一大类被称为“脆弱拓扑”的结构，因其特性难以在常规实验中捕捉和稳定存在，而超出了现有强大分类框架的范围。其中，表征二维实波函数拓扑的欧尔类，就是这类脆弱拓扑的典型代表，它蕴含着诸如非阿贝尔扭结等新奇物理性质。但作为其最低模型的二维拓扑欧尔绝缘体，在实验上的实现一直是一个悬而未决的重大挑战。

二、量子模拟器：打开拓扑研究新窗口

近日，一项由国内知名高校完成的研究成功攻克了这一难题。团队通过一个高度灵活的囚禁离子量子模拟器，实验性地实现了一个精心设计的三能带哈密顿量，从而精准地模拟了拓扑欧尔绝缘体。量子模拟器的高度可控性为研究脆弱拓扑提供了理想的实验平台，使得在传统固体材料中难以观测的量子现象得以清晰呈现。

三、精密微波控制：实现量子精确操控

在该突破性实验中，高精度的微波控制是成功的关键。研究采用了Spectrum 高性能任意波形发生器DN2.663-04，其1.25 GS/s的采样率和16位的高分辨率，为生成复杂且精确的微波序列提供了核心保障。这些微波与信号发生器产生的信号经IQ混频器处理，最终用于驱动离子在不同能级间的量子跃迁。所有设备均通过铷原子钟保持同步，确保了整个系统的相干性与稳定性，为拓扑相的精确制备奠定了技术基础。

在实验中，171Yb原子由炉子产生，通过399nm激光束激发至Pi能级，然后被电离。这些离子随后利用冷却光束进一步冷却至Wigner晶体状态。他们使用935nm激光束将处于2D3/2态的离子重新泵回到基态。

如图所示，由微波驱动的两个水平量子态之间的转换。为了控制微波的振幅、频率和相位并产生实验序列，使用高频信号发生器和采样率为1.25 GHz的阵列波形发生器(德思特合作伙伴Spectrum DN2.663)来产生不同频率的微波。这两个装置产生的信号被IQ混频器进行混合处理，其中差频边带被抑制，而和频边带则被增强；后者被用于驱动离子中两个不同能级之间的跃迁。所有信号发生器都通过一个10 MHz的铷参考时钟进行同步。

四、多维度验证拓扑性质

凭借这一先进的量子模拟平台，研究团队通过量子态重构技术，成功地直接评估了体系的欧尔类、观测了威尔逊环流并分析了纠缠谱，多维度地揭示了哈密顿量内在的拓扑性质。实验还清晰地测量到最低能带上由欧尔类拓扑保护的四个交叉点，为脆弱拓扑的存在提供了确凿的实验证据。

五、动态拓扑现象的首次观测

不仅如此，量子模拟器的独特优势还允许团队从动力学角度深入探索。研究人员在动量-时间空间中观测到了动态的拓扑纹理，包括skyrmion-antiskyrmion对以及复杂的Hopf链接结构。这些动态拓扑特征的发现，极大地拓展了人们对拓扑物态演化规律的认识。

六、开辟脆弱拓扑研究新途径

这项研究成果充分证明了量子模拟技术在研究奇异拓扑物态方面的强大优势。该工作不仅首次在实验中捕捉到了脆弱的拓扑欧尔绝缘体，更为整个凝聚态物理领域在实验上研究脆弱拓扑态开辟了一条充满潜力的崭新途径，展示了量子模拟在解决前沿物理问题中的巨大潜力。