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在光学修饰的 BEC 中实现一维拓扑规范理论。

Realizing a 1D topological gauge theory in an optically dressed BEC.

机构信息

ICFO - Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology, Castelldefels (Barcelona), Spain.

Institut für Laserphysik, Universität Hamburg, Hamburg, Germany.

出版信息

Nature. 2022 Aug;608(7922):293-297. doi: 10.1038/s41586-022-04943-3. Epub 2022 Aug 10.

DOI:10.1038/s41586-022-04943-3
PMID:35948710
Abstract

Topological gauge theories describe the low-energy properties of certain strongly correlated quantum systems through effective weakly interacting models. A prime example is the Chern-Simons theory of fractional quantum Hall states, where anyonic excitations emerge from the coupling between weakly interacting matter particles and a density-dependent gauge field. Although in traditional solid-state platforms such gauge theories are only convenient theoretical constructions, engineered quantum systems enable their direct implementation and provide a fertile playground to investigate their phenomenology without the need for strong interactions. Here, we report the quantum simulation of a topological gauge theory by realizing a one-dimensional reduction of the Chern-Simons theory (the chiral BF theory) in a Bose-Einstein condensate. Using the local conservation laws of the theory, we eliminate the gauge degrees of freedom in favour of chiral matter interactions, which we engineer by synthesizing optically dressed atomic states with momentum-dependent scattering properties. This allows us to reveal the key properties of the chiral BF theory: the formation of chiral solitons and the emergence of an electric field generated by the system itself. Our results expand the scope of quantum simulation to topological gauge theories and open a route to the implementation of analogous gauge theories in higher dimensions.

摘要

拓扑规范理论通过有效的弱相互作用模型来描述某些强关联量子系统的低能性质。一个主要的例子是分数量子霍尔态的陈-西蒙斯理论,其中任意子激发来自于弱相互作用物质粒子和密度相关规范场之间的耦合。尽管在传统的固态平台中,这些规范理论只是方便的理论构造,但工程量子系统能够直接实现它们,并提供了一个肥沃的研究平台,无需强相互作用即可研究它们的现象学。在这里,我们通过在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现陈-西蒙斯理论(手征 BF 理论)的一维约化,报告了拓扑规范理论的量子模拟。利用该理论的局域守恒定律,我们消除了规范自由度,有利于手征物质相互作用,我们通过合成具有动量相关散射特性的光学修饰原子态来实现这种相互作用。这使我们能够揭示手征 BF 理论的关键性质:手征孤子的形成和由系统本身产生的电场的出现。我们的结果扩展了量子模拟的范围到拓扑规范理论,并为在更高维度实现类似的规范理论开辟了一条途径。

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