中科大提出模擬曲面量子霍爾效應新方案

記者4月2日從中科大獲悉，該校郭光燦院士團隊周正威教授研究組與美國萊斯大學、加州大學聖迭戈分校、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。成果3月29日發表在著名期刊《物理評論快報》上。

在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，這個電磁輸運現象就是著名的霍爾效應。量子霍爾效應是量子力學版本的霍爾效應，需要在低溫強磁場的極端條件下才可以被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈現線性關係，而出現量子化平台。

如何在冷原子系統中模擬有效規範場，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，由於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。

周正威等人分析發現，在多分量冷原子氣體中，通過動力學調控現有磁場強度，可在實空間中模擬一個等效磁單極場；再利用當前實驗條件，可把冷原子團束縛到一個封閉球面上。這樣的一個球心為有效磁單極球面，是諾貝爾獎得主霍丹為理解分數量子霍爾效應而提出，但難以在實驗上實現。周正威等人巧妙地構造出等效磁單極場，為在實驗平台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分數量子霍爾效應的實驗平台，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。（記者 桂運安）

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