郭光燦院士率先在冷原子系統中模擬曲面量子霍爾效應

　　我校郭光燦院士團隊在量子模擬方面取得重要進展，該團隊周正威教授研究組與美國萊斯大學、加州大學圣迭戈分校、中科院物理所合作，提出了一種在冷原子系統中模擬磁單極場的新方案，從而為在冷原子系統中研究曲面上的量子霍爾效應及尋找新的奇異量子態提供了理論指導。相關研究成果3月29日發表在《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 120, 130402 (2018)]。

左圖表示方案中利用磁單極場實現的球面束縛勢阱，R表示球面的半徑。右圖表示在考慮到中性原子相互作用后，形成的球面上的渦漩分布圖樣；圖中每個藍點對應一個渦漩核心，其分布圖樣與球面上等數目電子的穩定構型（經典Thomson問題）是一樣的，反應了該系統中渦漩和電子的對偶特征。

　　如何在冷原子系統中模擬有效規范場，從而實現中性原子的量子霍爾效應，一直是超冷氣體量子模擬中面臨的一個重要課題。此前的方法中，研究者們發現通過旋轉一團束縛的超冷量子氣體，可以在中性原子中模擬等效磁場，有望在該系統中實現量子霍爾效應。然而，由于轉動所導致的離心力，會使得原子團被拋離束縛勢阱，從而很難觀測到所期望的物理效應。

　　為了克服上述困難，周正威等人提出了一種全新的在冷原子中模擬量子霍爾效應的方案。他們分析發現，在多分量冷原子氣體中，通過動力學調控現有的磁場強度，可以在實空間中模擬一個等效的磁單極場；再利用當前實驗條件，可以把冷原子團束縛到一個封閉的球面上。這樣的一個球心為有效磁單極的球面，是諾貝爾獎得主霍丹（F.D.M. Haldane）為理解分數量子霍爾效應而提出的。在該理想化的模型中，用到了電子與磁單極場的相互作用。這一模型同時也揭示了磁單極子與凝聚態物理之間的深刻聯系。然而，盡管當前幾乎所有的大統一理論均預言了磁單極的存在，在實驗上卻一直沒有觀測到磁單極存在的可信證據。故此前認為，霍丹的這一設想僅能作為一種求解問題的思路，而難以在實驗上實現。周正威、周祥發等人巧妙地利用現有條件，構造出等效的磁單極場，從而克服了上述困難，為在實驗平臺上精確實現霍丹球面掃平了障礙。

　　該系統是一個理想的研究少體分數量子霍爾效應的實驗平臺，有望和當前的許多理論計算進行精確地比對，為理論和實驗的相互印證提供了基礎。此外，考慮到中性原子的相互作用后，該系統不僅為二維系統中電子和渦漩的相互對偶特性提供了簡單直接的驗證方法，同時也是一個理想的構造和調控具有奇異拓撲特性量子態的平臺，為實驗上探索由磁單極場所誘導的各種奇異性質提供了理論指導。

　　該工作得到國家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。