外爾半金屬是三維無間隙拓撲相，在體帶中存在外爾錐。根據格點論，外爾錐必須成對出現，錐的最小數目為兩個。只有兩個外爾錐的半金屬，是理想外爾半金屬(IWSM)。
在此，
中國科學技術大學的陳帥&潘建偉，大學劉雄軍等研究者，報道了通過設計三維自旋-軌道耦合，在超冷原子上實現IWSM帶的實驗結果。相關論文以題為“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”發表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271
在外爾半金屬中，價帶和導帶在節點處相遇，在節點處準粒子，具有外爾哈密頓量和線散。一個外爾節點對應一個拓撲單極子，其電荷等于包圍該節點的金屬費米表面的Chern數；這個電荷決定了；結點處外爾費米子的手性。根據Nielsen-Ninomiyano-go定理，外爾節點成對出現，每一對中的兩個節點具有相反的手性，因此，半金屬中外爾節點的最小數目是2。只有兩個外爾節點的半金屬是理想外爾半金屬(IWSM)，是外爾半金屬族中最基本的相。
因為IWSM中的兩個節點，不能簡單地分開，所以IWSM產生的任何交互相都是非平庸的。因此，IWSMs可以存在非相互作用的外爾物理現象，如手性異常，以及多體現象，如時空超對稱性和非-阿貝爾手性馬約拉納，這些現象在具有較多外爾點的相互作用的外爾半金屬中，可能并不受歡迎。盡管各種各樣的外爾和類似外爾的相已經被廣泛報道，包括II型外爾半金屬、三簡并半金屬和磁性外爾半金屬，但對IWSMs的直接觀察仍然很困難。
同時，各種拓撲模型的實現，一直是利用超冷原子進行量子模擬的積極追求。尤其是，具有合成自旋軌道(SO)相互作用的超冷量子氣體，為研究奇異拓撲現象，提供了原始。SO在不同維度合成的相互作用，有不同的特征。一維(1D) SO耦合對應于阿貝爾規范勢，而二維SO耦合對應于非阿貝爾規范勢，包括二維Dirac和Rashba類型；為了在光學拉曼晶格中，實現二維量子反常霍爾(QAH)模型，人們一直在積極研究Dirac類型。以3D非阿貝爾規范勢為特征的三維SO相互作用，是實現高維拓撲物質的重要組成部分。尤其是，在外爾半金屬中涌現的外爾哈密頓量，描述了三維外爾型SO耦合，其實現一直是量子模擬領域的一個挑戰。
在此，研究者利用3D布洛赫動量q-空間中的哈密頓量，實現并探測了超冷87Rb原子的3D SO耦合和IWSM帶。固定量子點處的哈密頓量子點，簡化為2D量子點模型，其拓撲結構由量子點調制。在研究者的實驗中，通過調節產生3D耦合的光躍遷的頻率，來調節外爾點的數目。研究者采用虛擬切片重建成像技術，測量系統的猝滅動力學，清楚地解析了外爾點。
圖1 實驗裝置和3D SOC。
圖2 用平衡法觀察IWSM相的相圖。
圖3 用平衡方法觀察帶有四個外爾節點的半金屬帶。
圖4 用猝滅動力學測量韋爾節點。
綜上所述，這里的3D SO耦合和IWSM帶協議是通用的，可以立即應用于費米系統，其中各種相關相，可以通過調節強相互作用訪問。尤其是，拓撲超流態可以通過三維SO-耦合費米氣體實現，其平均場理論捕獲了基本物理，具有更高的可靠性1D或2D SO-耦合系統。（文：水生）
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