科学家为研究霍尔效应打造工具，让超冷原子量子模拟迎来重要成果
霍尔效应是指当磁场存在时，电流在材料内部并不会沿着直线流动，而是会发生“弯曲”并在材料边缘产生电荷积累的一种物理现象。
霍尔效应在各种科学领域中发挥着重要作用。在应用科学中，它能用于磁场传感、电阻标准的实现、材料表征等。在量子科学中，在非相互作用的情况之下，霍尔效应能够指导拓扑物态的研究。
尽管霍尔效应既重要又有用，但是如何理解强关联系统中的霍尔响应，却是长期以来困扰学界的问题之一。
基于此，意大利佛罗伦萨大学周天伟博士和所在团队开展了一项研究，为领域内的实验研究和理论研究开辟了新前景。
图 | 周天伟（来源：周天伟）
研究中，课题组并没有使用传统材料，而是设法在实验室中重新创建霍尔材料的“原型”，通过使用可以冷却到绝对零度以上几亿分之一度的超冷中性原子来模拟电子的行为。
通过利用激光来操纵原子，原子在“合成”磁场中表现得像带电粒子一样，并能精确地观测原子轨迹被磁场弯曲的过程。尽管超冷原子气体呈现出电中性，但是仍然可以模拟固体中的霍尔效应，而研究这种效应的技巧之一就是向系统中引入“合成维度”。
研究中，该团队将费米子镱原子置于一维光学晶格之中，并使用原子的核自旋态作为合成维度，将晶格倾斜从而产生电流，进而测量一系列原子相互作用强度之下的霍尔响应。
基于此，课题组针对强相互作用费米子的霍尔效应进行了量子模拟。与在固态系统中测量静态霍尔电压不同的是，通过在超冷原子模拟器中，直接测量电流和电荷极化可以追踪霍尔响应的建立过程。
借此，他们观察到相互作用所带来的明显影响。随着粒子之间相互作用的增强，霍尔响应明显偏离了对于非相互作用电子气的预期值，逐渐接近此前从未被观察到的普遍值。这意味着，人类首次在强关联系统中精确测量了霍尔效应。
研究中，周天伟的合作者根据最新发展的理论，对实验结果进行补充分析，从而让实验结果得到更好的支持。
自从量子霍尔效应被发现以来，迄今 40 年间人们依旧在寻找完整的理论解释。而本次实验结果对于研究霍尔效应量子化的微观起源具有重要意义。
通过控制原子之间的相互作用强度，他们首次将强相互作用与合成磁场结合起来，借此来探测强关联多体效应的冷原子实验。
此外，他们还对实验中的不利技术因素加以有效控制，借此展示了在冷原子模拟器中实现强相互作用拓扑相的具体路径。
可以说，本次工作开辟了强相互作用拓扑系统的研究新途径，也开启了强关联拓扑物相新的研究里程，并证明冷原子系统是研究这类课题的理想实验平台，特别是为研究具有类似于分数量子霍尔态拓扑序的量子气体提供了一个原始工具。
本次实验的过程和结果证明了关于强关联物质拓扑态的量子模拟能够触及到理论计算的未知领域，也为进一步实现强关联拓扑相提供了可靠路径。假如针对实验技术做进一步完善，在提高微观操控精度之后、以及降低系统的不均匀性和温度之后，就能实现具有量子霍尔效应的二维结构材料。
这样的二维材料将能拥有特殊的拓扑性质，从而能为构建量子比特提供新的选择，进而为量子信息和量子计算的发展带来实际意义和应用价值。
周天伟表示：“审稿人最终认定，鉴于对超冷原子量子模拟领域的重要影响，这篇论文值得发布在 Science这样的高影响力期刊上。”
日前，相关论文以《强相互作用费米子中普遍霍尔响应的观测》（Observation of universal Hall response in strongly interacting Fermions）为题发在 Science[1]，周天伟是第一作者，意大利佛罗伦萨大学莱昂纳多·法拉尼（Leonardo Fallani）教授担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science）
2019 年，来自瑞士日内瓦大学的研究人员发表了关于相互作用量子系统中霍尔响应的理论预测论文。基于这篇论文，周天伟找到了本次课题的出发点。
随后，他和团队开始设计具体的实验。在测量霍尔效应随相互作用强度的变化之前，一个难题在于如何排除系统非均匀性，从而增加对于实验观测的影响。具体来说，他们需要一个反囚禁势，去不断补偿系统纵向的外包络势阱。而如何实现这一反囚禁势，并将其准确、稳定地加入实验系统，成为了推进实验的关键。
想象一下，将两束光斑直径在 60 微米左右的激光，准确调整到原子团所在的位置，而原子团本身的尺寸甚至比激光尺寸更小，只有十几微米左右，这一实现过程自然不易。
为此，周天伟尝试了多种方法，从搭建实验设备到最终实现花费了数周时间之久。当他第一次看到实验系统有所响应，振荡信号由于反囚禁势的补偿作用而逐渐减慢时，那份由衷的喜悦让他记忆犹新。
而通过将多体相互作用与合成规范场相结合，课题组完成了探测强关联多体效应的冷原子实验，也对强相互作用下费米子霍尔效应实现了首次量子模拟。
接下来，他们希望进一步在量子模拟器上实现那些无法在经典计算机上被有效模拟的量子多体系统，特别是拓扑物质中的强关联相“分数量子霍尔态”。
作为一种含有拓扑次序的新物态，分数量子霍尔态大大丰富了人们对于量子相和量子相变的理解。这种新物态也是构建非阿贝尔任意子并进一步实现拓扑量子计算机的重要途经。由此可见，假如能在精准可控的多体系统中实现分数量子霍尔态，必将带来非凡的意义。
参考资料：
1.Zhou, T. W., Cappellini, G., Tusi, D., Franchi, L., Parravicini, J., Repellin, C., ... & Fallani, L. (2023). Observation of universal Hall response in strongly interacting Fermions.Science, 381(6656), 427-430.