撰稿 | 李玉清
说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿
超冷原子人工规范场
沿闭合回路运动的带电粒子会感受到一个相位差，该相位差可用于研究凝聚态物理中的拓扑现象。对于不带电的粒子，如中性原子、光子，通过引入一个和路径相关的几何相位，能构建一个与带电粒子轨道磁场等效的合成磁场，即人工规范场。利用人工规范场模拟带电粒子的哈密顿量，可实现对复杂真实物理体系的量子模拟研究。
图1 (a)准一维无相互作用铯原子玻色量子气体的制备，(b)利用一维动量晶格合成的两条腿梯子势，(c)人工规范场下原子在梯子两腿上的布居。
超冷原子量子气体具有优越的可调控性，为人工规范场的研究提供了一个理想平台。利用原子的自旋态作为一个人工维度，通过拉曼激光引入隧穿相位，实验上已经观测到人工规范场下出现的手征性边界态和拓扑特性。另一方面，美国伊利诺伊大学香槟分校研究团队采用布拉格激光耦合超冷原子的不同动量态，在动量空间构建并耦合了两个一维晶格，合成了人工规范场。尽管，这些研究通过测量相关观物理量验证了单粒子的紧束缚模型，但原子间存在一定的相互作用。为实现单粒子哈密顿量的调控，需要开展无相互作用超冷原子的人工规范场研究。
无相互作用玻色气体的人工规范场
近日，来自山西大学的马杰教授、梅锋教授联合研究团队利用无相互作用玻色量子气体的一维动量晶格合成了一个具有两条腿的梯子势，实现了人工规范场。该团队首先利用Feshbach共振在准一维光阱中制备了无相互作用的铯原子量子气体；其次，通过一系列布拉格激光耦合原子的动量态，合成一个无相互作用的一维动量晶格；最后，采用双光子、四光子的布拉格跃迁将一维动量晶格合成二维梯子，通过引入隧穿相位，在无相互作用的二维梯子势中实现了人工规范场。
该团队通过控制隧穿相位，研究了均匀人工磁场下原子的布居动力学，在梯子的两条腿上观测到了手征性原子流，研究了梯子竖直方向上的耦合强度对手征性流的影响，对于更好理解人工规范场下的手征性极为重要。此外，通过构造非均匀人工磁场，研究了非均匀场中原子的输运特性，发现通过局部调节规范流可以控制原子在梯子中的输运。所得实验结果可以通过无相互作用下单粒子的紧束缚模型解释。
前景展望
基于无相互作用玻色量子气体合成的人工规范场为研究各种无相互作用的单粒子模型提供了一个非常理想的实验平台。接下来，利用Feshbach共振调节原子间的相互作用，可以研究相互作用对人工规范场和拓扑物理的影响，对强关联物理的量子模拟研究具有重要意义。
该研究成果以"Atom-optically synthetic gauge fields for a noninteracting Bose gas"为题在线发表在Light: Science & Applications。
Li, Y., Zhang, J., Wang, Y. et al. Atom-optically synthetic gauge fields for a noninteracting Bose gas. Light Sci Appl 11, 13 (2022).
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