自旋轨道耦合是一系列新奇拓扑态及拓扑相的物理基础,如拓扑绝缘体、拓扑超导体、量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、Weyl半金属、Majorana费米子等。拓扑量子态由非局域不变量描述,通常无法与局域的物理观测量相联系,进而很难通过实验探测拓扑态和拓扑相。尽管固体物理实验发展了各种各样手段来探测拓扑绝缘体、拓扑半金属等拓扑量子态,其并未直接探测出体系的拓扑数也没有提供拓扑相的直接证据。在固体材料中,由于材料生长的难可控性,往往无法实现所需求的拓扑量子体系。此外在常规的计算机模拟中,随着多粒子体系中粒子数量的增加,计算量成粒子数指数级增长,导致计算机模拟无法给出多粒子体系的基态。随着冷原子技术的产生与发展,用高可控性的量子模拟构建各种各样的新奇拓扑量子体系成为可能,在直接求解多粒子量子体系的基态方面也显示出重要优势,为直接探测新奇拓扑系统的拓扑相提供了可能。本文详细描述了通过玻色子自旋轨道耦合量子模拟研究二维体系的拓扑性质,以及由此发展的一些列实验方法。首先,本文将简要介绍冷原子技术的背景、应用及发展,并着重介绍玻色爱因斯坦凝聚理论以及在此基础上实现的多种自旋轨道耦合理论。其次,本文将介绍实验室用于实现玻色爱因斯坦凝聚的实验装置。玻色爱因斯坦凝聚作为本文所述一系列工作的实验载体,具有多种成熟的制备手段,涉及到几种常规而通用的实验技术,包括超高真空技术、静态电磁场及其稳定技术、激光及高斯光学技术、非线性光学技术、微波射频技术、电子学技术、时序自动化控制技术、数据处理与编程技术、激光冷却与陷俘技术等。本文中的实验装置用混合阱蒸发手段,制备了原子数为2 × 105的高纯度87Rb玻色爱因斯坦凝聚体。最后,本文将详细介绍具体实验工作以及与工作相关的方法与技术。实验具体内容及方法包括:1)首次实现玻色子二维自旋轨道耦合的实验实现,在首次实现玻色子二维自旋轨道耦合的系统中,通过调节两个Raman过程的相对相位,实现了一维自旋轨道耦合到二维自旋轨道耦合基态的过度,通过观测准动量空间的自旋分布证实了此二维量子气体的拓扑非平庸特性;2)优化升级二维自旋轨道耦合方案,在优化升级了的二维自旋轨道耦合系统中,实验组实现了高效的Raman耦合、低噪声的磁场环境、具有C4对称性及可控长寿命的基态。其具有更加简单可控的相位调节机制,实现了一维到二维自旋轨道耦合基态的连续稳定的控制。测量了二维拓扑体系中多体相互作用导致的条纹相和平面波相的连续过度,并且利用冷原子热平衡态能带分布方法,实验组初步测量了能带的拓扑性质,描绘了低能带完整的拓扑相图;3)在此基础上,通过非平衡态动力学方法将系统从拓扑平庸态淬火到拓扑非平庸态,实验组观察到与拓扑内在关联的圈状结构,以此方便快捷地判断能带拓扑并精确描绘了拓扑相图;实验过程中发展的技术包括二维光晶格技术、Kapitza-Dirac衍射光晶格深度标定技术、Raman光晶格自旋轨道耦合技术等。总的来说,冷原子自旋轨道耦合量子模拟在研究新奇拓扑量子态以及拓扑相方面有着巨大的潜力与内在的优势。我们实验组所开发的二维自旋轨道耦合方案也可以方便地推广到更多的冷原子系统中,如40K费米子系统,也正在着手进行更高维度自旋轨道耦合量子模拟的实验实现,将继续探索高维拓扑体系中丰富新颖的拓扑现象以及其他物理现象。