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热原子超辐射晶格的几何相位

编辑: 时间:2022年10月10日 访问次数:0

几何相位是绝热演化过程中由哈密顿量的几何性质所决定的相位,为拓扑物态分类提供了核心依据,是拓扑物理研究的重要内容。然而在原子实验中,为了测量量子态在闭合路径中的相位积累,通常需要极低的温度和复杂的调控手段。在室温条件下实现拓扑物态的标定可为其研究和应用提供便利。

最近,浙江大学物理学院量子光学研究团队在室温原子的超辐射晶格中实现了几何相位的测量。他们模拟了布洛赫电子在电场作用下形成的能级劈裂和交叉,并从其能谱特征中提取了一维晶格能带的几何相位。这一方法利用了固体中现代电极化理论的一个重要结论,即几何相位决定了瓦尼尔波函数的中心位置,进而决定了电场中瓦尼尔-斯塔克能梯的能量移动。在实验中,该团队利用驻波激光耦合铷原子,在动量空间构造了由超辐射态组成的晶格。在这一动量空间晶格中,原子运动提供了等效电场的作用,使得不同能带的瓦尼尔-斯塔克能级发生交叉,而交叉点在能谱中的位置包含了几何相位信息。利用这一关系,该团队在室温条件下实现了多种一维晶格几何相位的测量。

本研究为该团队在实现了超辐射晶格手征边缘流[PRL122, 023601 (2019)]和平带局域化[PRL126, 103601 (2021)]之后的又一进展,为实现拓扑物态的室温量子模拟打下了基础。这一方法可被推广到高维,用于测量陈数等拓扑不变量。通过发展速度分辨的能谱测量技术进一步提高测量精度,这项研究可用于实现时空晶体、非互易隧穿、瓦尼尔卷绕等重要物理现象。

研究成果在线发表于《Light: Science & Applications》期刊上(R. Mao, X. Xu, J. Wang et al., Measuring Zak phase in room-temperature atoms. Light Sci.& Appl. 11, 291 (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00990-7)。论文共同第一作者是浙江大学博士生毛若松、王洁菲和博士后徐兴奇,通讯作者为蔡晗研究员和王大伟研究员。其他作者还包括钱格威、徐晨燃和朱诗尧院士。

图 从超辐射晶格吸收谱中提取几何相位(A)非拓扑的Semenoff绝缘体。(B)拓扑的Su-Schriefer-Heeger绝缘体。(C)更一般的Rice-Mele模型。