研究拓?fù)洳牧系男缕嫖锢硇再|(zhì)是目前凝聚態(tài)物理學(xué)的前沿?zé)狳c，Weyl（外爾）半金屬是一類具有代表性的拓?fù)洳牧稀?/span>

外爾半金屬具有拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)，能級交叉簡并點即外爾點正好位于費米面上。理論研究表明，動量空間中的外爾點具有手性，根據(jù)封閉系統(tǒng)中總拓?fù)浜墒睾愣?，左手手性的外爾點與右手手性的外爾點總是成對出現(xiàn)。

當(dāng)一對手性相反的外爾點出現(xiàn)能量差時，引入外加磁場將導(dǎo)致外爾點附近產(chǎn)生正比于磁感應(yīng)強度的拓?fù)潆娏?，該現(xiàn)象稱為手征磁效應(yīng)。手征磁效應(yīng)純粹由拓?fù)浔Ｗo引起，與近年來廣泛研究的手征反常具有本質(zhì)的不同，但由于材料制備的困難和表征手段的缺乏，前者至今尚未在實驗室直接觀測到。

另一方面，量子計算和量子模擬是目前國際競爭的焦點，如何利用可擴展量子比特開展量子計算和量子模擬是谷歌重金懸賞的研究課題。

最近，南京大學(xué)物理系于揚課題組率先通過精確控制超導(dǎo)量子比特對拓?fù)洳牧系哪軒ЫY(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦赃M行模擬，取得了一系列成果。

現(xiàn)在又與香港大學(xué)汪子丹教授合作利用超導(dǎo)量子電路首次模擬出外爾半金屬能帶，并在此基礎(chǔ)上演示了外爾半金屬中的手征磁效應(yīng)。

圖1：超導(dǎo)電路系統(tǒng)與微波場耦合模擬外爾半金屬哈密頓量

如圖1所示，研究人員利用超導(dǎo)電路系統(tǒng)作為人工原子與微波場耦合成功模擬出一個描述外爾半金屬的兩能帶模型，將立方晶格的準(zhǔn)動量空間精確映射至微波場參數(shù)空間，利用超導(dǎo)量子比特的精確調(diào)控與測量技術(shù)，通過不斷調(diào)節(jié)微波場參數(shù)，即振幅、頻率、相位，測量相應(yīng)能譜，模擬出外爾半金屬第一布里淵區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)。

圖2：外爾半金屬能帶結(jié)構(gòu)、外爾點拓?fù)洳蛔兞?、拓?fù)湎嘧?/span>

能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，在動量空間中可以直接觀測到四對手性相反的外爾點。同時，課題組采用動力學(xué)響應(yīng)方案，通過使系統(tǒng)沿預(yù)設(shè)路徑準(zhǔn)絕熱演化，利用量子態(tài)層析技術(shù)，直接得到貝里曲率，計算出表征各外爾點拓?fù)湫再|(zhì)的拓?fù)洳蛔兞?卷繞數(shù)，如圖2所示，實驗測量的卷繞數(shù)近似為±1，并且手性相反的外爾點卷繞數(shù)互為相反數(shù)，與理論預(yù)言相同。此外，通過調(diào)節(jié)兩能帶模型參數(shù)，課題組還演示了外爾半金屬向狄拉克半金屬的拓?fù)湎嘧?，如圖2所示，四對外爾點退化為四個狄拉克點。

在上述工作的基礎(chǔ)上，課題組研究了外爾半金屬的手征磁效應(yīng)。注意到外爾點在動量空間具有不同的位置，引入依賴于準(zhǔn)動量的零點能量，即可造成一對手性相反的外爾點出現(xiàn)能量差。同時，因為外爾半金屬低能激發(fā)即外爾子為相對論性費米子，考慮到正則動量形式，通過 位移即可等效的引入人工規(guī)范磁場。

圖3：通過微波調(diào)控產(chǎn)生人工規(guī)范場及手征磁效應(yīng)的示意圖

綜上，通過控制外加泵浦微波場振幅和頻率，課題組實現(xiàn)了對外爾半金屬的手征磁效應(yīng)的研究，實驗結(jié)果如圖3、4所示，拓?fù)潆娏髋c外爾點能量差和磁感應(yīng)強度成正比，與理論預(yù)言高度一致，即利用超導(dǎo)量子電路在實驗上直接演示了外爾半金屬的手征磁效應(yīng)。

圖4：外爾半金屬的手征磁效應(yīng)拓?fù)潆娏?/span>

長期以來，外爾半金屬的手征磁效應(yīng)只存在于理論預(yù)言中，該成果對凝聚態(tài)物理尤其是外爾半金屬的研究具有重要意義，同時為利用超導(dǎo)量子電路探索拓?fù)洳牧系奈锢硇再|(zhì)提供了成功的范例。

該成果發(fā)表在物理學(xué)頂級雜志Physical Review Letters。

第一作者是物理學(xué)院譚新生研究員。

該模擬的方案和理論主要由香港大學(xué)汪子丹教授和南京大學(xué)趙宇心教授完成。