规范场(gauge field)是现代物理学中的基本概念，为理解物理世界的运行规律，如基本粒子相互作用、强关联物态、乃至万有引力等提供了普适优雅的视角。在实验中利用量子模拟平台合成人工规范场，为更好地探索新式规范场，理解其相关物理效应提供了便利。。浙江大学、中国科学技术大学与四川大学联合团队在超冷原子量子模拟平台中，利用拉曼动量晶格技术，构建了高度可调的SU(2)规范场，使其作用于自旋-1/2的一维梯子型晶格上，并对规范场作用下的动力学效应进行了观测。实验在由四个格点构成的基本板块中观察到了非阿贝尔Aharonov-Bohm效应；观测到在非阿贝尔规范场作用下，自旋-1/2梯子型晶格中的手性动力学特征。研究论文Chiral dynamics of ultracold atoms under a tunable SU(2) synthetic gauge field 于9月20日在线发表于Nature Physics杂志。

近年来，科学家们利用各种量子模拟平台在实验室中构建出合成规范场，以探索非平凡的物质态与新奇的动力学过程。举例来说，在合成磁场中观察到了中性原子在通量梯子型晶格中的定向运动，产生手性边缘电流 [Nat. Phys. 10, 588 (2014)]。这种现象类似于我们在超导体中观察到的表面电流，即当超导体置于磁场中时，电流会在其表面流动，形成对抗磁场的效果。当我们进一步将阿贝尔规范场向更复杂的非阿贝尔规范场如SU(2)拓展时，很多新的物理现象就可能会出现，比如非阿贝尔的几何相位、拓扑态和量子霍尔效应等。然而，在实验中实现这样的非贝尔规范场非常困难，对自由度及系统可操控性都有着很高的要求。

浙江大学冷原子团队利用拉曼动量晶格技术，在铷-87玻色-爱因斯坦凝聚体中创造了一个可调控的SU(2)规范场。实验使用铷-87原子基态上的两个超精细能级作为自旋态，同时，利用原子的动量态作为合成维度，通过一系列拉曼-布拉格激光可以将这些态进行耦合，形成一个有自旋自由度的一维梯子型晶格模型。这些耦合的强度和相位均可高度调控，从而实现了一个灵活可调的SU(2)规范场。

图1 利用拉曼动量晶格构建SU(2)规范场和实验方案

对阿贝尔规范场来说，带电粒子沿闭合回路运动时会积累一个几何相位；而当粒子处于一个非阿贝尔规范场时，情况变得不同。实验发现，原子沿顺时针或逆时针路径运动一圈后，其自旋态会发生翻转，且最终原子的末态取决于路径方向和初态，这正是非阿贝尔Aharonov-Bohm效应的体现。

图2 非阿贝尔Aharonov-Bohm效应

在实验中，研究人员将玻色-爱因斯坦凝聚体制备在阶梯晶格两条边的叠加态，可以观察到粒子在模型的两条链上的定向传播。而通过调节SU(2)规范场的参数，可以观察到更为复杂的手性动力学行为，当非阿贝尔规范势改变时，手性流的方向也会发生反转。系统总的手性由两套叠加的通量阶梯相互竞争的结果决定，当合成SU(2)规范场的参数改变时，占主导的模式也随之变化。

图3 手性流动力学

这项工作展示了非阿贝尔规范场对手性动力学的影响，高度可操控的拉曼动量晶格也为未来研究合成非阿贝尔规范场的奇异性质提供了可能。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Eric J. Meier对于这项工作给予了积极评价，称这是拉曼动量晶格的第一个实验报告，“拉曼晶格和Bragg（动量）晶格都已在之前得到实现和研究。这项工作以一种非常巧妙的方式将两者结合起来，用灵巧的实验就创造了有自旋的二维合成晶格，它预示着更多有趣实验的可能。”

Nature Physics在同期配发了这项研究的要点，编辑部评论说：“近年来，构建合成规范场是量子模拟领域最令人兴奋的发展之一。此项研究标志着我们对非阿贝尔势影响的更深入理解：超越了几何和拓扑的影响，探索了复杂的手性动力学，并为未来研究规范场与强关联多体物理的相互作用奠定了基础。”

本文共同第一作者是浙江大学物理学院博士生梁茜、董兆立和四川大学潘建松研究员。浙江大学颜波研究员和杨兆举研究员，中国科学技术大学易为教授为论文共同通讯作者。该项研究受到科技部重点研发计划，国家自然科学基金，浙江省自然科学基金，中央高校基础研究基金等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02644-4