分数量子ホール状態が超低温原子に現れる – Physics World

米国のハーバード大学の物理学者らは、超低温原子のガス中にラフリン状態として知られる、強く相互作用する新しい量子液体を初めて作成した。 この状態は分数量子ホール (FQH) 状態の一例であり、これまで凝縮系や光子で観察されていましたが、実験要件が厳しいため、原子での観察は困難でした。 原子系は凝縮系に比べて単純であるため、その結果は基礎物理学に対する新たな洞察につながる可能性があります。

「物性物理学における最も興味深い現象のいくつかは、電子を二次元に閉じ込めて強い磁場を印加すると現れます。」と彼は説明します。 ジュリアン・レナード、博士研究員。 ハーバード大学ルビジウム研究所 の論文の筆頭著者 自然 新作について。 「たとえば、粒子は集合的に、素電荷の一部にすぎない電荷を持っているかのように振る舞うことがあります。これは自然界の他のどこにも起こらず、すべての基本粒子の標準モデルによっても除外されるものです。」

固体システムを原子スケールで研究するのは難しいため、このような分数電荷がどのように発生するのかはまだ完全には理解されていません。 これが、より複雑な凝縮物質現象の量子シミュレーターとして機能する、冷原子などの合成量子系における FQH の挙動を研究することが非常に望ましい理由です。

例えば、最新の研究では、ハーバード大学のチームのメンバーが、原子系内の粒子が、むしろ「ワルツのダンサー」のように円形パターンで相互に動き回るのを直接観察した、とレオナール氏は言う。 「この渦の動きは固体サンプルで見るには小さすぎますが、実験では解決できました」と彼は言います。 物理学の世界.

原子を電子のように振る舞わせる

ラフリン状態を作り出すために、Léonard らはレーザービームを重ね合わせて光から作られる周期的な格子ポテンシャルを形成しました。 次に、各格子サイトに原子を配置し、原子がサイト間を自由に「ホップ」できるようにビームのパラメーターを調整しました。 この設定は、結晶固体内の電子が経験する周期的なポテンシャルを模倣していると、Léonard 氏は説明します。 「唯一の違いは、人工結晶が 1000 倍以上大きいため、光学顕微鏡でそれぞれの『電子』を観察し、制御できることです」と彼は言います。

ハーバード大学のチームにとっての大きな課題の XNUMX つは、磁場に対する電子の反応を模倣することでした。 マイナスに帯電した電子は、磁場内に置かれるとその運動に垂直な方向の力（ローレンツ力）を受けますが、新しいプラットフォームで電子の役割を果たす原子は電気的に中性であり、この力は存在しません。 したがって、研究者らは原子を「だまして」、磁場中で電子のように振る舞わなければならなかった。

これを行うために、彼らは、電子が磁場を周回すると、その波動関数が位相を獲得するという事実を利用しました。 これはとして知られています アハロノフ・ベーム効果、そしてレナードは、冷たい原子で同等のものを作成することができたと説明します。 「私たちの実験では、まさにこの位相を原子の波動関数に適用するいくつかのレーザービームを利用しました」と彼は言います。

穴は最初の分数量子化を明らかにします

誰でも観察できる可能性

また、研究チームは、FQH 状態の観察に必要な、精密に設計された強力な磁場を作り出すという課題にも直面していましたが、これまでは実験室での実験には手が届かなかったと、レオナール氏は付け加えています。 「私たちは量子シミュレーターで磁場の下で強相関システムを研究できることを初めて示しました。」と彼は言います。 「したがって、そのような状態を顕微鏡レベルで研究し、それらについて新たな洞察を収集することが可能になりました。 これまでアクセスできなかったまったく新しい現象が発見される可能性もあります。」

研究者らが観察したFQHラフリン状態の原子の数は16の格子サイトにわずかXNUMX原子と少ないが、研究チームは系のサイズを拡大できると考えている。 「より大きなシステムにより、FQH 効果の根底にある物理現象をさらによく理解できるようになります。私たちが特に楽しみにしている側面の XNUMX つは、そのようなシステムでの励起です」とレオナール氏は言います。 「これらはフェルミ粒子でもボソンでもなく、いわゆるアニオンと考えられています。これは量子統計の通常の分類の範囲外であるまったく新しいタイプの粒子です。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/fractional-quantum-hall-state-appears-in-ultracold-atoms/