Nature | 光修饰的超冷原子模拟规范理论

       ICFO和UAB的研究人员利用宇宙中最冷的系统在实验室中实现了规范理论，这是描述自然界基本力和复杂量子材料行为的现代物理学的关键模型

       我们对物理世界的理解基于规范理论：来自理论物理的数学模型，描述了基本粒子（如电子或夸克）之间的相互作用，并从量子力学角度解释了自然界的三种基本力：电磁力、弱力和强力。第四种基本力，引力，由爱因斯坦的广义相对论描述，虽然在量子体系中还没有被理解，但它也是一种规范理论。规范理论也可以用来解释某些材料中电子的奇异量子行为，或用于未来量子计算机需要的纠错码，这是现代物理学的主力。

       为了更好地理解这些理论，方法之一是使用人工和高度可控的量子系统来实现它们。这种策略称为量子模拟，构成了一种特殊类型的量子计算。它最早由物理学家Richard Feynman在80年代提出，15年前他因规范理论的开创性工作而获得诺贝尔物理学奖。量子模拟可以看作是一个量子乐高游戏，实验物理学家将抽象理论模型变为现实。他们在实验室使用超冷原子或离子等量子系统，利用“一块一块量子砖”建造它们。在为特定模型组装了一个量子乐高原型后，研究人员可以在实验室中非常精确地测量其特性，并利用他们的结果更好地理解其模拟的理论。在过去的十年中，量子模拟被广泛用于研究量子材料。然而，用规范理论玩量子乐高游戏从根本上来说更具挑战性。到目前为止，只有电磁力可以通过这种方式进行研究。

       相关研究发表在《Nature》，研究人员第一次能够用超冷原子模拟非电磁学的规范理论。

图：超冷原子云中手性相互作用的示意图，使其表现不同于其镜像，是实现拓扑规范理论的证据。

重光子的规范理论

       该团队在实验室实现一种属于拓扑规范理论的规范理论，不同于电磁学所属的动态规范理论。

       在规范理论中，两个电子之间的电磁力是在交换光子时产生的：光子是一种即使没有物质也能传播的光粒子。然而，在受到非常强磁场的二维量子材料中，电子交换的光子表现得好像它们非常重，并且只有当它们附着在物质上时才能移动。因此，电子具有非常特殊的性质：它们只能沿磁场方向通过材料的边缘，并且它们的电荷明显是分数的。这种行为被称为分数量子霍尔效应，由Chern-Simons规范理论（以开发其关键元素之一的数学家命名）描述。限制在材料单边缘的电子行为也应该用规范理论来描述，在这种情况下称为手征BF，这是90年代提出的，但直到ICFO和UAB研究人员才在实验室实现。

一种超冷云，其行为与其镜像不同

       为了实现这一拓扑规范理论并在他们的实验中进行模拟，研究小组使用了一团冷却到绝对零度以上十亿分之一度的原子云。对于原子，他们选择了钾，因为它的一种同位素具有两种相互作用强度不同的状态，可以用作构建手性BF规范理论的量子砖。然后，他们发射激光，将这两种状态组合成一种新的状态。这项被称为“用光修饰原子”的技术使它们获得了特殊的相互作用，其强度和符号取决于云的速度。最后，他们创造了一种光波导，将原子的运动限制在一条直线上，并使用额外的激光作用于云，使其以不同的速度沿云移动。

       在正常情况下，让原子在波导中自由演化会导致云膨胀。然而，在实验室拍摄的原子图像显示出完全不同的行为。正如Ramos解释的那样，“在我们的系统中，当原子向右移动时，它们的相互作用是有吸引力的，并抵消了原子试图膨胀的行为。因此，你实际上看到的是云的形状保持不变。但是，如果原子向左移动，这些原子会像正常气体一样膨胀。”。对反向运动时表现不同的原子的观察表明，该系统是手性的，即不同于其镜像。Leticia Tarruell说：“当我们第一次观察到原子云中手性相互作用的影响时，我们并没有试图模拟规范理论。但数据非常漂亮和有趣。这使我完全改变了团队的研究计划。”。

       研究小组很快发现，他们的观察结果与十年前发表的一篇理论文章有关，这篇文章提议使用几乎相同的装置来研究一种修正的电磁学。然而，正如Leticia Tarruell所说，“对于像我们这样的实验原子物理学家来说，这些内容很难掌握，因为它们是用一种与我们完全不同的数学物理语言写成的。知道我们的问题的答案在那里，但我们无法理解，真是令人沮丧！这时我们决定需要让一位理论家参与进来。”.

这是一次非常富有成效的实验与理论的结合

       理论物理学家Alessio Celi在转向量子模拟之前曾在高能物理和引力方面工作多年。同时，他能够理解实验的机制及其挑战。他与实验团队坐下来，经过几次讨论，提出了一个模型，可以正确解释实验结果。值得注意的是，有一个参数体系，该模型正是30年前提出的拓扑规范理论，用来描述分数量子霍尔材料边缘的电子行为。

       Tarruell总结道：“我认为这个项目向我们展示了跨学科合作的力量。将超低温物理的实验工具与高能物理的理论工具相结合，使我们所有人都成为了更好的物理学家，并首次实现了拓扑规范理论的量子模拟。”。

[1] Anika Frölian, Craig S. Chisholm, Elettra Neri, Cesar R. Cabrera, Ramón Ramos, Alessio Celi, Leticia Tarruell. Realizing a 1D topological gauge theory in an optically dressed BEC. Nature, 2022; 608 (7922): 293 DOI: 10.1038/s41586-022-04943-3