超冷原子，顾名思义，指的是那些被冷却到略高于绝对零度的温度的原子，在物理研究中，它们可以作为一种量子模拟的领先平台。
实验人员通过激光束和磁场来控制这些原子，并诱导它们“表演”出编排好的“量子舞蹈”。在它们完成表演之后，或者表演进行的同时，高分辨率成像技术能直接窥视它们的量子性质，从而提取到必要的信息。
现在，在两篇先后于近期发表在《物理评论快报》的研究中，一组研究人员报告了他们如何引导超冷原子跳起了新的舞蹈，为越来越丰富的量子模拟工具包增添了新的内容。
在第一篇研究中，他们将原子“掰弯”，让它们的自旋在空间和时间上卷绕，然后让它们打成结，形成一种时空的量子“椒盐卷饼”。研究人员对这种弯曲的时空形状进行了绘制。在后续的实验研究中，他们观察了原子在不同的卷绕形状之间的跃迁，发现了一种静止的简单原子所不能无法达成的丰富结构。
物理语境下的拓扑
这项研究中探索的卷绕，与数学领域的拓扑学有关，也就是根据对象的孔的数量对它们进行分类。
举个例子，甜甜圈、呼拉圈和咖啡杯在拓扑学上可以看作一样的，因为它们都有一个孔。但甜甜圈和眼镜框就不一样，眼镜框有两个孔，而椒盐卷饼则有三个孔。
“椒盐卷饼”的几何形状。（图／Mike Williams, Wikimedia Commons, CC BY-SA）
这种看似简单的形状分类，在物理学上却有着惊人的影响力，它可以解释许多事物，比如量子霍尔效应和拓扑绝缘体等。
但在物理学研究中，无论是固体金属块，还是超冷原子，物理学家关心的拓扑其实都与实际材料的形状无关，而是在意在材料中传播的量子波的形状。通常，物理学家会研究量子粒子的一种叫作自旋的内禀属性，以及当粒子在固体块中加速或减速时，这种自旋会如何卷绕。
大多固体都是晶体，由一种规则的网格组成，以等距的原子的重复模式向各个方向延伸。对于在这个网格内自由漂浮的电子来说，从一个原子跳到另一个相同的原子几乎没什么区别，无论它位于哪个原子，目光所及之处的景观完全一样。在电子的速度景观中，也有类似的网格系统，当电子开始加速时，事物可能有所变化，但在某些速度下，景观看上去和它根本没有移动的时候是一样。
除了位置和速度这两种电子的属性之外，还有一种就是之前提到的自旋。当位置和速度发生变化时，自旋可以在一定程度上独立行事。但当空间上的位点（位置），或者速度上“位点”发生变化时，自旋则必须保持不变，这是晶体中存在的对称性的另一种反映。但在两个位置位点或速度“位点”之间，则没什么限制。自旋在回到它起始点之前所画出的卷绕形状，就是定义拓扑的东西。
在量子模拟的世界里，超冷原子可以模拟晶体中的电子。晶体的作用则由激光扮演，为超冷原子创造了一种重复的光的模式。原子的位置和速度同样获得了一种重复的模式，而原子的自旋则追溯出定义拓扑的形状。
量子模拟
在他们的卷绕实验中，研究人员设计了一个二维晶体，但它有别于我们所熟知的一张纸那样的二维。其中一个维度是空间，就像沿着一根细线延伸的方向，而另一个维度则是时间。在这张由空间和时间组成的“纸”上，原子的自旋画出了一种奇怪的形状，它是原子在时空晶体中速度的函数。
为了创造一个在空间和时间上都能发生卷绕的表面，研究人员从两个方向向超冷原子云照射激光，并从上方引入一个射频磁场。激光和磁场结合在一起，创造出能量较高和较低的区域，原子被推离或被吸引到这些区域中。
我们可以想象一个装鸡蛋的盒子，让原子置于其中。这个鸡蛋盒子有一种特殊的形状，它不像你在超市里看到的那种一打鸡蛋的盒子一样有两排凹槽，而只有一排。而盒子里的每个凹槽由两个子凹槽构成的。这就产生了沿着空间中的一条线重复出现的类似晶体的图案。
研究人员在两种激光配置之间有节奏地切换，在空间和时间中卷绕原子。（图／Mingwu Lu, JQI）
调整激光和磁场相互对齐的方式，可以将整个图案移到一侧的一个子槽中。但他们并不仅仅切换一次。它们有节奏地来回摆动。这种有节奏的摆动在时间上创造了一种重复的模式，这就类似于晶体中核的重复空间模式。
然而要在实验中做到这一点并不容易，他们必须掌握好时机，确保激光“鸡蛋盒”以及频闪的时间恰到好处。
经过大量微调后，他们通过实验对这个时空晶体中的原子自旋进行了成像。自旋在回到开始的地方的途中穿越了时间和空间，研究人员绘制了这种自旋的卷绕图。通过这种方式，他们直接测量了构建出的卷绕拓扑结构。
后续研究中，他们使用相同的激光模式，进行了一种非常不同的与拓扑有关的实验。团队没有在空间和时间上观察拓扑，而仅仅关注空间维度。这一次，他们以不同的方式准备原子，包括让所有原子自旋向下、所有自旋向上，或者混在一起。
在创造的激光模式中，这些都不是“自然舒适”的原子态，而最终，原子会稳定到它们更自然的状态，也就是所谓的平衡态上。但在这个过程中，研究人员捕捉到了几种不同的拓扑形状的冻结帧。他们发现，有些形状再也不会出现了，可能仅仅存在于一瞬间。
揭示新的奥秘
这些结果揭示了新的奥秘，这也是研究人员渴望能进一步调查的方向。他们希望，未来，实验方法将能变得更为稳健，同时也希望了解，在更多种类的拓扑态之间快速切换时会发生什么。
#创作团队：
编译：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://jqi.umd.edu/news/twisting-atoms-through-space-and-time
#图片来源：
封面图&首图：Dina Genkina, JQI
发表于 2023-2-3 02:15
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