模拟量子在冷原子系统中的霍尔效应

从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队周正威教授研究组在量子模拟方面取得重要进展，该团队与美国莱斯大学、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。相关研究成果近日发表在《物理评论快报》上。

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一个重要课题。此前人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，很难观测到所期望的物理效应。

鉴于此，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。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为理解分数量子霍尔效应而提出的。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。