由哈佛大学Markus Greiner小组主导的国际合作团队首次利用光晶格中的超冷原子实现了分数量子霍尔态。研究团队通过Floquet动力学调控的方法产生了合成磁场，并设计了一种新的量子态绝热制备方案，从而在一个4×4的光晶格中制备了由两个玻色子87Rb所形成的ν=1/2Laughlin态，最终利用量子气体显微镜观察到了Laughlin态的标志性特征。该研究为使用超冷原子研究高度纠缠的拓扑物质提供了新的思路，并在容错量子信息处理技术中具有潜在的应用。该成果于6月21日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《用超冷原子实现分数量子霍尔态(Realization of a fraction quantum Hall state with ultracold atoms)》为题发表于《自然》杂志
20 世纪 80 年代量子霍尔效应的发现揭示了一种被称为“Laughlin态”的新物态的存在，以从理论上对其进行了表征的1998 年诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家Robert B. Laughlin的名字命名。Laughlin态是一种强相互作用的拓扑物质，具有分数电荷、长程拓扑纠缠和任意子交换统计等奇异性质。这些奇异的量子态是二维材料在非常低的温度和极强的磁场下特有的现象。
电子在Laughlin态下会形成一种特殊的量子液体，其中每个电子围绕同能级的电子“跳舞”，同时又由于它们之间的相互作用而尽可能地互相避开。激发这样的量子液体会产生电子的集体状态，而物理学家将这种集体状态与被称为“任意子”的虚拟准粒子联系起来，其性质与电子截然不同：这些“任意子”携带分数电荷（即基本电荷的分数倍）。令人惊讶的是，它们违背了标准的玻色子或费米子的统计性质。
由激光操纵的超冷原子实现了Laughlin态，这是一种奇特的量子液体，其中每个原子都围绕其同类原子跳舞。
Credit: Nathan Goldman
多年来，物理学家们一直在探索在固态材料以外的其他体系中实现Laughlin态的可能性（如2020年实现的光子Laughlin态 [Nature 582, 41 (2020)]），以进一步分析研究其特殊的性质。然而事实证明，所需的条件（系统的二维性质、强磁场、粒子之间的强关联性）是极具挑战性的。
该研究首次利用激光操纵的超冷中性原子实现Laughlin态。实验将数个原子束缚在光晶格中，并成功实现了产生这种奇异状态所需的条件：强合成磁场和原子之间的强排斥作用。研究团队通过一个量子气体显微镜对原子进行逐个成像，揭示了Laughlin态的特征性质。他们展示了粒子相互围绕彼此旋转的奇特“舞蹈”，以及所实现的原子Laughlin态的分数性质。研究团队还通过调节磁场，测量了从正常态到Laughlin态的相变点和多体能隙。
密度关联函数在分数量子霍尔效应显现时具有涡旋结构
这一成果为在量子模拟器中探索Laughlin态及其近亲（例如所谓的Moore-Read态）的广阔新领域打开了大门，特别地，将为研究人员在量子气体显微镜下产生、成像和操纵任意子提供可能性。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06122-4
报道链接：
https://phys.org/news/2023-06-laughlin-state-ultracold-atoms.html