华南师大张善超和朱诗亮团队在Phys. Rev. Lett.发表最新研究进展

近期，华南师范大学物理与电信工程学院、粤港量子物质联合实验室、广东省量子调控工程与材料重点实验室的冷原子研究团队在量子模拟研究中取得重要研究进展：利用超冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体，理论提出并实验模拟了具有拓扑结构的杨(振宁)-米尔斯规范场(Yang-Mills gauge fields)真空。该成果以「Synthetic Topological Vacua of Yang-Mills Fields in Bose-Einstein Condensates」为题发表在国际物理顶尖期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

「真空是什么？」是物理学的核心问题之一。真空的「以太」假说就认为真空充满「以太」，是传递电磁波的媒介，直到迈克尔逊-莫雷实验否定了「以太」的存在。真空可以定义为场的最底能量态。现代物理学理论认为「真空不空」，真空可以具有丰富的结构。具有阿贝尔特性的电磁场最低能量状态具有唯一性，但Aharonov-Bohm效应仍告诉我们，多连通空间的真空处可以电磁场强度为0，而磁矢势不为零。具有非阿贝尔特性的杨-米尔斯场真空有更丰富的结构：它可以是简并的，并不唯一，每类真空可以用一个拓扑（整）数n来表征；不仅如此，不同拓扑数的真空之间有准粒子（「瞬子」）做量子隧穿这是一组科学家在1975年求解经典杨-米尔斯场方程中发现的。许多著名物理学家为此做出了开创性的贡献，如E.V. Polyakov，R. Jackiw和G.'t Hooft等。

图1 | SU(2)非阿贝尔规范场真空拓扑结构和能量示意图

在此之前，杨-米尔斯场真空的拓扑结构还没有被实验观察到。如何实验观察这一现象充满了挑战。学校冷原子研究团队从2013年开始理论研究用原子等人工量子体系来模拟拓扑真空。2019年，团队实现了超冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体，超冷原子量子气体的温度低至10nK，具有显著的量子特性并且可以灵活操控，是开展量子模拟研究的重要实验平台。通过理论和实验的完美结合，最终，利用超冷原子实验模拟了杨-米尔斯场拓扑真空，通过超冷原子的自旋纹理和霍普夫环展示了该真空态的拓扑结构，为探索真空拓扑结构以及瞬子物理性质开辟了新思路。

图2 | 非阿贝尔拓扑真空（拓扑数n=2）的霍普夫连接的实验测量结果

该成果是冷原子研究团队理论与实验充分合作，实验技术近十年积累的结晶。团队硕博连读生李嘉桢和直博生邹聪俊为论文共同第一作者，青年拔尖人才张善超教授和朱诗亮教授为论文共同通讯作者。团队杜炎雄副教授和张丹伟教授为理论和实验方案的提出做出了重要贡献；理论发展期间在南京大学攻读博士学位的朱燕清(目前在香港大学物理系)提出了真空的拓扑数和霍普夫不变量的关系及其实验探测方法。黄巍博士为超冷原子实验平台的搭建做出了重要贡献，参与该工作的还有吕庆先博士、梁振涛博士和颜辉教授等。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等项目的支持。

论文链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.220402

[2]https://news.scnu.edu.cn/55420

--华南师范大学