近日，我系/应用表面物理国家重点实验室教授李晓鹏教授课题组与其合作者国防科技大学的李永强、袁建民教授和德国汉堡大学的Hemmerich教授等，利用角动量守恒原理和理论计算，在多自旋分量光晶格冷原子体系提出了一种自旋与角动量耦合的新机制，对冷原子量子模拟尤其是拓扑物态方面的研究有重要意义。相关论文题目为“Rotation-Symmetry-Enforced Coupling of Spin and Angular Momentum for p-Orbital Bosons”，发表在《美国物理快报》（Phys. Rev. Lett 121, 093401 (2018)）。李晓鹏和李永强为通讯作者。

自旋、轨道和电荷自由度的耦合是描述一大类奇异量子现象的基石，比如原子的精细和超精细结构，量子材料中超导、拓扑绝缘体、Weyl半金属等等。在冷原子体系，近年来对光晶格轨道自由度的研究导致了玻色体系P+iP 超流态的发现（见综述：Xiaopeng Li, W. Vincent Liu, Rep. Prog. Phys. 79, 116401 (2016)）。此次的研究工作中，李晓鹏课题组提出在光晶格p-轨道体系引入自旋自由度，使该体系成为一个更普适的量子模拟器。

研究发现，带自旋自由度的p-轨道玻色子在超冷温度下通过多体相变自发的产生自旋角动量耦合。文章指出这种自发的产生机制仅仅依赖于体系最自然的相互作用和近似的空间转动对称性，因此这种自发自旋角动量耦合具有很好的鲁棒性和普适性。理论分析在动力学平均场的高精度数值计算中得到进一步的印证，数值计算得到的相变温度也在现行实验光晶格的范围之内。

研究表明在自旋p-轨道玻色子体系中产生自旋轨道耦合以及相应的拓扑激发模式，不需要人工规范场等复杂的实验技术，是对冷原子体系拓扑物态量子模拟的一个重要进展。文章合作者德国的Hemmerich教授目前正在实验中尝试验证该工作的理论预言。