超冷原子中出现分数量子霍尔态 – 物理世界

美国哈佛大学的物理学家首次在超冷原子气体中创造了一种新型强相互作用量子液体，称为劳克林态。 这种状态是分数量子霍尔（FQH）状态的一个例子，以前曾在凝聚态物质系统和光子中观察到，但由于严格的实验要求，在原子中的观察一直难以捉摸。 由于原子系统比凝聚态系统更简单，因此这一结果可能会给基础物理学带来新的见解。

“当你将电子限制在二维空间并施加强磁场时，凝聚态物理中一些最有趣的现象就会出现，”解释道 朱利安·莱昂纳德，一名博士后研究员 哈佛大学铷实验室 以及一篇论文的主要作者 自然 关于新工作。 “例如，粒子的集体行为就好像它们所带的电荷只是基本电荷的一小部分——这种电荷在自然界其他任何地方都不会出现，甚至被所有基本粒子的标准模型所排除。”

这种分数电荷产生的方式尚未完全了解，因为很难在原子尺度上研究固态系统。 这就是为什么我们非常需要研究冷原子等合成量子系统中 FQH 的行为，冷原子可以作为更复杂的凝聚态物质现象的量子模拟器。

例如，在最新的研究中，哈佛大学团队的成员直接观察到原子系统中的粒子以圆形模式相互运动，就像“华尔兹舞者”，莱昂纳德说。 “这种涡旋运动太小，无法在固态样品中看到，但我们能够在实验中解决它，”他说 物理世界.

使原子的行为更像电子

为了创建劳克林态，莱昂纳德和同事使用重叠的激光束来形成由光构成的周期性晶格势。 然后，他们将原子放入每个晶格位置并调整光束的参数，以便原子可以在位置之间自由“跳跃”。 莱昂纳德解释说，这种装置模仿了晶体固体中电子所经历的周期性电势。 “唯一的区别是我们的人造晶体比人造晶体大1000倍以上，因此我们可以用光学显微镜观察和控制每个‘电子’，”他说。

哈佛大学团队面临的一项主要挑战是模拟电子对磁场的响应。 当带负电的电子置于磁场中时，会受到与其运动垂直的方向的力（洛伦兹力），而在新平台中扮演电子角色的原子是电中性的，这意味着不存在这种力。 因此，研究人员必须“欺骗”原子，使其表现得更像磁场中的电子。

为此，他们依赖这样一个事实：当电子环绕磁场时，它们的波函数获得一个相位。 这被称为 阿哈罗诺夫-玻姆效应，莱昂纳德解释说，他们能够在冷原子中创造出等价物。 “在我们的实验中，我们使用了几束激光束，将这个相位精确地应用于原子的波函数，”他说。

空洞揭示了第一个分数量化

观察任意子的可能性

Léonard 补充道，该团队还面临着创建观察 FQH 态所需的强大、精确设计的磁场方面的挑战，而这在以前的实验室实验中仍然是遥不可及的。 “我们现在首次证明，可以在量子模拟器中研究磁场下的强相关系统，”他说。 “因此，现在可以在微观层面上研究这些状态并收集新的见解。 我们甚至可能发现迄今为止仍无法实现的全新现象。”

虽然研究人员观察到的 FQH 劳克林态原子数量很少，只有 16 个晶格位点上的两个原子，但该团队认为系统尺寸可以增加。 “更大的系统将使我们能够更好地了解 FQH 效应背后的物理原理，而我们特别兴奋地观察到的一个方面是此类系统中的激发，”Léonard 说。 “这些被认为既不是费米子也不是玻色子，而是所谓的任意子，这是一种全新的粒子类型，不属于我们通常的量子统计分类。”

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