中国科大提出在冷原子系统中模拟曲面量子霍尔效应的新方案
我校郭光灿院士团队在量子模拟方面取得重要进展，该团队周正威教授研究组与美国莱斯大学、加州大学圣迭戈分校、中科院物理所合作，提出了一种在冷原子系统中模拟磁单极场的新方案，从而为在冷原子系统中研究曲面上的量子霍尔效应及寻找新的奇异量子态提供了理论指导。相关研究成果3月29日发表在《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 120, 130402 (2018)]。
如何在冷原子系统中模拟有效规范场，从而实现中性原子的量子霍尔效应，一直是超冷气体量子模拟中面临的一个重要课题。此前的方法中，研究者们发现通过旋转一团束缚的超冷量子气体，可以在中性原子中模拟等效磁场，有望在该系统中实现量子霍尔效应。然而，由于转动所导致的离心力，会使得原子团被抛离束缚势阱，从而很难观测到所期望的物理效应。
为了克服上述困难，周正威等人提出了一种全新的在冷原子中模拟量子霍尔效应的方案。他们分析发现，在多分量冷原子气体中，通过动力学调控现有的磁场强度，可以在实空间中模拟一个等效的磁单极场；再利用当前实验条件，可以把冷原子团束缚到一个封闭的球面上。这样的一个球心为有效磁单极的球面，是诺贝尔奖得主霍丹（F.D.M. Haldane）为理解分数量子霍尔效应而提出的。在该理想化的模型中，用到了电子与磁单极场的相互作用。这一模型同时也揭示了磁单极子与凝聚态物理之间的深刻联系。然而，尽管当前几乎所有的大统一理论均预言了磁单极的存在，在实验上却一直没有观测到磁单极存在的可信证据。故此前认为，霍丹的这一设想仅能作为一种求解问题的思路，而难以在实验上实现。周正威、周祥发等人巧妙地利用现有条件，构造出等效的磁单极场，从而克服了上述困难，为在实验平台上精确实现霍丹球面扫平了障碍。
该系统是一个理想的研究少体分数量子霍尔效应的实验平台，有望和当前的许多理论计算进行精确地比对，为理论和实验的相互印证提供了基础。此外，考虑到中性原子的相互作用后，该系统不仅为二维系统中电子和涡漩的相互对偶特性提供了简单直接的验证方法，同时也是一个理想的构造和调控具有奇异拓扑特性量子态的平台，为实验上探索由磁单极场所诱导的各种奇异性质提供了理论指导。
中科院量子信息重点实验室的周祥发副研究员为文章的第一作者，这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
左图表示方案中利用磁单极场实现的球面束缚势阱，R表示球面的半径。右图表示在考虑到中性原子相互作用后，形成的球面上的涡漩分布图样；图中每个蓝点对应一个涡漩核心，其分布图样与球面上等数目电子的稳定构型（经典Thomson问题）是一样的，反应了该系统中涡漩和电子的对偶特征。
（中科院量子信息重点实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、科研部）
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