科學家爲研究霍爾效應打造新工具，讓超冷原子量子模擬迎來重要成果

霍爾效應是指當磁場存在時，電流在材料內部並不會沿着直線流動，而是會發生“彎曲”並在材料邊緣產生電荷積累的一種物理現象。

霍爾效應在各種科學領域中發揮着重要作用。在應用科學中，它能用於磁場傳感、電阻標準的實現、材料表徵等。在量子科學中，在非相互作用的情況之下，霍爾效應能夠指導拓撲物態的研究。

儘管霍爾效應既重要又有用，但是如何理解強關聯繫統中的霍爾響應，卻是長期以來困擾學界的問題之一。

基於此，意大利佛羅倫薩大學周天偉博士和所在團隊開展了一項研究，爲領域內的實驗研究和理論研究開闢了新前景。

圖 | 周天偉（來源：周天偉）

研究中，課題組並沒有使用傳統材料，而是設法在實驗室中重新創建霍爾材料的“原型”，通過使用可以冷卻到絕對零度以上幾億分之一度的超冷中性原子來模擬電子的行爲。

通過利用激光來操縱原子，原子在“合成”磁場中表現得像帶電粒子一樣，並能精確地觀測原子軌跡被磁場彎曲的過程。儘管超冷原子氣體呈現出電中性，但是仍然可以模擬固體中的霍爾效應，而研究這種效應的技巧之一就是向系統中引入“合成維度”。

研究中，該團隊將費米子鐿原子置於一維光學晶格之中，並使用原子的核自旋態作爲合成維度，將晶格傾斜從而產生電流，進而測量一系列原子相互作用強度之下的霍爾響應。

基於此，課題組針對強相互作用費米子的霍爾效應進行了量子模擬。與在固態系統中測量靜態霍爾電壓不同的是，通過在超冷原子模擬器中，直接測量電流和電荷極化可以追蹤霍爾響應的建立過程。

藉此，他們觀察到相互作用所帶來的明顯影響。隨着粒子之間相互作用的增強，霍爾響應明顯偏離了對於非相互作用電子氣的預期值，逐漸接近此前從未被觀察到的普遍值。這意味着，人類首次在強關聯繫統中精確測量了霍爾效應。

研究中，周天偉的合作者根據最新發展的理論，對實驗結果進行補充分析，從而讓實驗結果得到更好的支持。

自從量子霍爾效應被發現以來，迄今 40 年間人們依舊在尋找完整的理論解釋。而本次實驗結果對於研究霍爾效應量子化的微觀起源具有重要意義。

通過控制原子之間的相互作用強度，他們首次將強相互作用與合成磁場結合起來，藉此來探測強關聯多體效應的冷原子實驗。

此外，他們還對實驗中的不利技術因素加以有效控制，藉此展示了在冷原子模擬器中實現強相互作用拓撲相的具體路徑。

可以說，本次工作開闢了強相互作用拓撲系統的研究新途徑，也開啓了強關聯拓撲物相新的研究里程，並證明冷原子系統是研究這類課題的理想實驗平臺，特別是爲研究具有類似於分數量子霍爾態拓撲序的量子氣體提供了一個原始工具。

本次實驗的過程和結果證明了關於強關聯物質拓撲態的量子模擬能夠觸及到理論計算的未知領域，也爲進一步實現強關聯拓撲相提供了可靠路徑。假如針對實驗技術做進一步完善，在提高微觀操控精度之後、以及降低系統的不均勻性和溫度之後，就能實現具有量子霍爾效應的二維結構材料。

這樣的二維材料將能擁有特殊的拓撲性質，從而能爲構建量子比特提供新的選擇，進而爲量子信息和量子計算的發展帶來實際意義和應用價值。

周天偉表示：“審稿人最終認定，鑑於對超冷原子量子模擬領域的重要影響，這篇論文值得發佈在 Science 這樣的高影響力期刊上。”

日前，相關論文以《強相互作用費米子中普遍霍爾響應的觀測》（）爲題發在 Science[1]，周天偉是第一作者，意大利佛羅倫薩大學萊昂納多·法拉尼（）教授擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

2019 年，來自瑞士日內瓦大學的研究人員發表了關於相互作用量子系統中霍爾響應的理論預測論文。基於這篇論文，周天偉找到了本次課題的出發點。

隨後，他和團隊開始設計具體的實驗。在測量霍爾效應隨相互作用強度的變化之前，一個難題在於如何排除系統非均勻性，從而增加對於實驗觀測的影響。具體來說，他們需要一個反囚禁勢，去不斷補償系統縱向的外包絡勢阱。而如何實現這一反囚禁勢，並將其準確、穩定地加入實驗系統，成爲了推進實驗的關鍵。

想象一下，將兩束光斑直徑在 60 微米左右的激光，準確調整到原子團所在的位置，而原子團本身的尺寸甚至比激光尺寸更小，只有十幾微米左右，這一實現過程自然不易。

爲此，周天偉嘗試了多種方法，從搭建實驗設備到最終實現花費了數週時間之久。當他第一次看到實驗系統有所響應，振盪信號由於反囚禁勢的補償作用而逐漸減慢時，那份由衷的喜悅讓他記憶猶新。

而通過將多體相互作用與合成規範場相結合，課題組完成了探測強關聯多體效應的冷原子實驗，也對強相互作用下費米子霍爾效應實現了首次量子模擬。

接下來，他們希望進一步在量子模擬器上實現那些無法在經典計算機上被有效模擬的量子多體系統，特別是拓撲物質中的強關聯相“分數量子霍爾態”。

作爲一種含有拓撲次序的新物態，分數量子霍爾態大大豐富了人們對於量子相和量子相變的理解。這種新物態也是構建非阿貝爾任意子並進一步實現拓撲量子計算機的重要途經。由此可見，假如能在精準可控的多體系統中實現分數量子霍爾態，必將帶來非凡的意義。

參考資料：

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.

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