科学家为研究霍尔效应打造工具，让超冷原子量子模拟取得重大进展

发布时间：2023-10-28 11:26:00 所属栏目：动态来源：

导读：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

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，却是近年来长期以来一直困扰高等教育学界的问题之一。

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，为自然语言处理领域内的应用心理学实验研究和人工智能的理论研究开辟了广阔的新应用前景。

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”。

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。

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。而本次研究的实验结果对于更进一步地研究超导霍尔效应传感器量子化的微观起源问题具有重要意义。

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。

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。

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。

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。

（编辑：汽车网）

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