Дробное квантовое состояние Холла появляется в ультрахолодных атомах

Дробное квантовое состояние Холла появляется в ультрахолодных атомах

Отметка времени: 14 июля 2023 г., 4:00

абстрактное изображение ультрахолодных атомов
Ультрахолодные атомы, управляемые лазерами, реализовали состояние Лафлина, своеобразную квантовую жидкость, в которой каждый атом танцует вокруг своих собратьев. (Любезно предоставлено: Натан Голдман)

Физики из Гарвардского университета в США впервые создали новую сильно взаимодействующую квантовую жидкость, известную как состояние Лафлина, в газе из ультрахолодных атомов. Состояние, которое является примером дробного квантового состояния Холла (FQH), ранее наблюдалось в конденсированных системах и в фотонах, но наблюдения в атомах были неуловимы из-за строгих экспериментальных требований. Поскольку атомные системы проще, чем их аналоги из конденсированного состояния, результат может привести к новому пониманию фундаментальной физики.

«Некоторые из наиболее интригующих явлений в физике конденсированного состояния возникают, когда вы удерживаете электроны в двух измерениях и прикладываете сильное магнитное поле», — объясняет Жюлиан Леонар, докторант-исследователь в Рубидиевая лаборатория в Гарварде и ведущий автор статьи в природа о новой работе. «Например, частицы могут вести себя коллективно так, как если бы их заряд составлял лишь часть элементарного заряда – то, что не встречается больше нигде в природе и даже исключается Стандартной моделью для всех фундаментальных частиц».

Способ возникновения таких дробных зарядов до сих пор до конца не понятен, поскольку трудно изучать твердотельные системы на атомном уровне. Вот почему так желательно изучать поведение FQH в синтетических квантовых системах, таких как холодные атомы, которые действуют как квантовые симуляторы более сложных явлений конденсированного состояния.

Например, в последнем исследовании члены гарвардской команды непосредственно наблюдали, как частицы в их атомной системе движутся вокруг друг друга по круговой схеме, подобно «танцорам в вальсе», говорит Леонар. «Это вихревое движение слишком мало, чтобы увидеть его в твердотельном образце, но мы можем разрешить его в нашем эксперименте», — говорит он. Мир физики.

Заставить атомы вести себя как электроны

Чтобы создать состояние Лафлина, Леонар и его коллеги использовали перекрывающиеся лазерные лучи для формирования периодического потенциала решетки, состоящего из света. Затем они поместили атомы в каждый узел решетки и настроили параметры лучей так, чтобы атомы могли свободно «перепрыгивать» между узлами. Эта установка имитирует периодический потенциал, испытываемый электронами в кристаллическом твердом теле, объясняет Леонар. «Единственная разница в том, что наш искусственный кристалл более чем в 1000 раз больше, поэтому мы можем наблюдать и контролировать каждый «электрон» с помощью оптического микроскопа», — говорит он.

Одной из главных задач для команды Гарварда было имитировать реакцию электронов на магнитные поля. В то время как отрицательно заряженные электроны при помещении в магнитное поле испытывают силу (силу Лоренца) в направлении, перпендикулярном их движению, атомы, играющие роль электронов в новой платформе, электрически нейтральны, то есть эта сила отсутствует. Поэтому исследователям пришлось «обмануть» атомы, заставив их вести себя как электроны в магнитном поле.

Для этого они опирались на тот факт, что когда электроны вращаются вокруг магнитного поля, их волновая функция приобретает фазу. Это известно как Эффект Ааронова – Бома, и Леонар объясняет, что им удалось создать эквивалент в холодных атомах. «В наших экспериментах мы использовали несколько лазерных лучей, которые воздействовали именно на эту фазу на волновые функции атомов», — говорит он.

Возможность наблюдения за анионами

Команда также столкнулась с проблемами создания сильного, точно спроектированного магнитного поля, необходимого для наблюдения состояний FQH, которые ранее оставались недоступными для лабораторных экспериментов, добавляет Леонар. «Теперь мы впервые показали, что можно изучать сильно коррелированные системы в магнитном поле с помощью квантового симулятора», — говорит он. «Поэтому теперь возможно изучать такие состояния на микроскопическом уровне и почерпнуть о них новое понимание. Мы можем даже открыть совершенно новые явления, которые до сих пор оставались недоступными».

Хотя количество атомов в состоянии Лафлина FQH, наблюдаемое исследователями, невелико, всего два атома в 16 узлах решетки, команда считает, что размер системы можно увеличить. «Более крупная система позволит нам получить еще лучшее представление о физике, лежащей в основе эффекта FQH, и один аспект, который нам особенно интересно наблюдать, — это возбуждения в таких системах», — говорит Леонар. «Считается, что это не фермионы и не бозоны, а так называемые анионы, которые представляют собой совершенно новый тип частиц, выходящий за рамки нашей обычной классификации квантовой статистики».

Отметка времени:

Больше от Мир физики