西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员通过在玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中实现Chern-Simons理论的一维约化（手征BF理论），首次实现了拓扑规范场论的量子模拟。该成果于8月10日发表在《自然》杂志上。
拓扑规范场论通过有效的弱相互作用模型描述了某些强关联量子系统的低能性质。一个主要的例子是分数量子霍尔效应的Chern–Simons理论，其中任意子激发来自弱相互作用物质粒子与密度相关规范场之间的耦合。分数量子霍尔效应是指在受到非常强磁场作用的二维量子材料中，电子交换的光子表现得好像非常重，只有附着在物质上才可以移动。因此，电子具有非常特殊的性质：它们只能沿着由磁场方向设定的方向流过材料的边缘，并且它们的电荷量明显地变成分数。为了更好地理解这些理论，一种可能性是使用人工和高度可控的量子系统来实现它们，即量子模拟。在过去十年中，量子模拟已被广泛应用于研究量子材料，然而，对规范场论的模拟非常具有挑战性，目前还没有实现对电磁力以外的规范场论的模拟。
为了实现拓扑规范场论并在他们的实验中进行模拟，ICFO的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钾原子云。因为钾的一种同位素具有两种相互作用强度不同的态（自旋），可以用作构建手征BF规范理论的量子成分。然后，他们发射拉曼光，将这两种态组合成一种新的态。由于拉曼光在改变原子状态的同时会给原子传递动量，这样“被光缀饰”的原子的自旋成分会和动量相关，从而使缀饰态原子的相互作用大小及正负和原子动量相关。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，并使用额外的激光驱动云，使其以不同的初始速度移动。在正常情况下，原子在波导中自由演化时会发生膨胀。然而，当缀饰光辐照时，在实验室拍摄的原子图像显示出完全不同的行为。正如 Ramon Ramos 解释的那样，“在我们的系统中，当原子向右移动时，它们的相互作用具有吸引力，抵消了原子试图扩张的行为。所以，你实际看到的是云的形状保持不变。用专业术语说，我们实现了一个孤子。但是，如果原子向左移动，这些原子会像普通气体一样膨胀。”原子团向不同方向传播时不同的行为表明他们的系统是手征的，即系统没有镜面对称性。除此之外，他们还观测到没有初速度的原子云在演化时具有各向异性的特征，这预示着系统出现了演生的等效电场。
这些现象其实都可以归因于原子团相互作用和动量相关的特性，从这个角度可以更简单的去理解该现象。当原子团向右移动时，它的质心动量为正，缀饰原子的等效相互作用为吸引，原子团处在孤子状态。如果原子团向左移动，它的质心动量为负，缀饰原子的等效相互作用为排斥，原子团会正常膨胀。同样地，对于静止演化的原子团，向右膨胀的原子由于相互作用为吸引，其膨胀速度比向左膨胀的原子要慢，导致原子团出现左右不均匀的现象。该结果将量子模拟的范围扩展到拓扑规范场论，并为在更高维度上实现类似规范场论开辟了道路。
该团队已经准备好探索该项目开辟的新研究方向。他们现在的目标是尝试将实验和理论从直线扩展到平面，这将使他们能够在不需要量子材料的情况下观察分数量子霍尔效应。这将允许实现称为任意子的奇异准粒子，这些准粒子在未来可用于更强大的量子计算形式。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04943-3
报道链接：
https://www.icfo.eu/news/2063/ultracold-atoms-dressed-by-light-simulate-gauge-theories/