科学家为探究霍尔效应打造工具，让超冷原子量子模拟迎来重要成果

发布时间：2023-11-21 10:18:25 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，却是长期以来困扰学界的问题之一。

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。

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。而本次发布的实验结果对于进一步研究大面积霍尔效应传感器量子化的微观起源问题具有重要意义。

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，借此装置来进一步探测中微子强相互作用关联多原子体相互作用效应的冷原子实验。

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。

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，进而为我国量子信息和高性能量子计算的进一步发展进程带来重要的实际意义和应用价值。

（编辑：汽车网）

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