超冷原子可以为奇异的一维物理提供2D窗口

莱斯大学的物理学家马修福斯特和赛斯戴维斯希望从一个全新的角度来看待令人烦恼的量子谜题。他们只需要合适的有利位置和比深空更冷的地方。

福斯特研究小组的研究生戴维斯说：“在强烈相互作用的物理过程中，有一个基本粒子，如电子，可以聚集在一起，表现得好像它们只是电子的一部分。”“它被称为分数化。它是一个非常奇特的，基本的过程，在许多地方在理论上出现。它可能与高温超导性有关，它可能对构建量子计算机有用。但它很难理解甚至更难衡量。“

理论物理学家最近在物理评论快报，福斯特和戴维斯的一篇论文中提出了一个实验来测量不是在电子中的分数，而是在原子中如此冷，它们遵循相同的量子规则来决定电子在量子材料中的行为方式，这是一个不断增长的类别。具有异国电子和物理特性的材料，政府和工业界正在为下一代计算机和电子设备而努力。

量子材料包括高温超导体，物理学中最令人费解的谜团之一，以及表现出拓扑阶段的材料，这些材料使其成为2016年诺贝尔物理学奖的发现者。后者是物理学家在一种称为分数量子霍尔效应的奇异电子状态中明确地测量分数的唯一地方。在这种状态下，扁平的二维材料仅沿其一维边缘导电。

“这是一个二维的例子，”赖斯物理和天文学助理教授福斯特说。“很明显，分数化正在那里发生，因为如果你测量这些边缘状态的电导，它们就像是由粒子组成，就像电子的三分之一一样。

“没有真正的粒子携带三分之一的电荷，”他说。“这只是所有电子以这样的方式一起移动的效果，即如果你产生局部激发，它就会像电子一样充电三分之一。”

福斯特和戴维斯说，描述他们的超冷原子测试的主要动机是能够观察到与分数量子霍尔实例非常不同的系统中的分数。“我们的目标只是以一种明确的方式在另一个环境中看到这种物理学，”赖斯量子材料中心(RCQM)成员福斯特说。

他们提出的实验要求激光冷却原子作为电子的替身。在这样的实验中，激光反对原子的运动，逐渐使它们减慢到更冷和更冷的温度。冷原子被其他激光器捕获，这些激光器形成光波导，一维通道，原子可以向左或向右移动，但不能相互缠绕。这些一维导向器中原子的量子行为模拟了1D导线中电子的行为。“实验的所有个别元素都已经开发出来，但我们并不相信它们已经被整合在一个实验装置中，”福斯特说。“这就是我们需要激光冷却专家的实验家帮助的地方。”

为了观察超冷系统中的分级，Foster和Davis建议创建一组平行的1D波导，它们都在同一个二维平面上。一些额外的原子将填充实验中心附近的一维导轨。

“所以我们先从1D'导线'或导轨开始，然后在中间开始初始密度，然后我们将放下一些激光器，让原子在一种2D网格中的导线之间相互作用， “福斯特说。“我们可以非常准确地描述一维系统，其中强相互作用导致原子以相关的方式运行。因为整个系统是量子力学和相干的，所以这些相关性应该印在2D系统上。他说：“我们的探测器正在释放出额外的密度，并观察它的作用。”“如果一维导轨中的原子没有相互作用，那么凸起就会在导线之间展开。但是，如果由于导线中的相关效应导致初始分数化，我们可以自信地计算出密度会做什么完全不同。它会向另一个方向飞去。福斯特说，他有兴趣与超冷原子实验家讨论测试的可行性。

“我们知道，为这些实验建立和完善一些实验装置可能需要数年时间，”福斯特说。“作为理论家，我们知道我们需要的成分，但我们不知道的人，这将是最具挑战性来实现，或者它可能是更容易修改一些设置，而不是其他人。这就是我们需要的帮助我们的实验同事。“该研究得到了国家科学基金会，陆军研究办公室和韦尔奇基金会的支持。研究人员使用由莱斯研究计算中心管理的国家科学基金会支持的DAVinCI超级计算机，并与赖斯肯肯尼信息技术研究所合作采购。

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