山西大学贾锁堂教授、马杰教授、李玉清副教授实验课题组与中国科技大学易为教授合作，在几何阻挫三角形动量晶格中相互作用超冷原子人工规范场的研究方面取得重要进展。他们首次在相互作用可精确调控的超冷原子玻色量子气体中合成了几何阻挫的三角形动量晶格，通过控制格点间的隧穿相位产生了人工规范场，揭示了原子相互作用、规范场和几何阻挫之间的竞争机制。研究结果展现了相互作用可以诱导三角形动量晶格中超冷原子的局域化，且局域化的转变点依赖于规范场，观测到超冷原子偏向性的手征性动力学，证明了几何阻挫效应导致三角形格子两条链之间的对称性发生动力学破却。

近日，相关研究成果以「Observation of frustrated chiral dynamics in an interacting triangular flux ladder」为题发表在Nature Communication。

研究背景

理解相互作用和规范场之间的竞争机制是当代物理学研究中的一项重要任务，对于描述不同能量和温度尺度的物理现象至关重要，例如，从基本粒子的出现到分数量子霍尔效应。超冷原子量子气体具有优越的可调控性，利用Feshbach共振可以调控原子的相互作用，为在量子多体系统中合成人工规范场及研究相互作用的影响提供了一个理想的实验平台。目前，实验上已经发展了多种方法合成规范场，包括快速旋转原子气体、拉曼跃迁、晃动光晶格等，并观测到了手征性原子流和拓扑特性。然而，相关研究主要聚焦在单粒子模型和弱相互作用范围，对于相互作用和规范场之间的竞争机制尚未深入研究。尤其是在几何阻挫的晶格中，相互作用可能会诱导新奇的物理效应。

研究创新点

在该工作中，研究团队首次在相互作用可精确调控的超冷原子玻色量子气体中合成了几何阻挫的三角形动量晶格（图1），通过控制格点间的隧穿相位产生了人工规范场，揭示了原子相互作用、规范场和几何阻挫之间的竞争机制。研究结果展现了相互作用可以诱导三角形动量晶格中超冷原子的局域化，且局域化的转变点依赖于规范场，观测到超冷原子偏向性的手征性动力学，证明了几何阻挫效应导致三角形格子两条链之间的对称性发生动力学破却。

图1 在超冷铯原子量子气体中合成几何阻挫的三角形动量晶格，精确控制规范场和原子相互作用。

利用超冷铯原子在低磁场下的宽带Feshbach共振精确调控原子间相互作用，结合动量晶格单格点分辨的操控和探测技术，为在三角形动量晶格中产生可调的人工规范场、研究相互作用对超冷原子手征性动力学的影响提供了理想的实验平台。将超冷原子样品初始化到单格点上，通过测量三角形动量晶格中原子的布居动力学演化，研究了相互作用对不同人工规范场下超冷原子手征性动力学的影响。在强相互作用下，所有原子被局域化到初始格点，原子的手征性输运被抑制，而且局域化的转变点依赖于规范场（图2）。然而，在较强的相互作用和规范场下，原子展现出链依赖的偏向性手征性动力学，其中原子的手征性输运仍然存在，但原子主要占据在三角形动量晶格两条链中的一条，两条链之间对称被动力学破缺（图3）。相比于正方形动量晶格，这种偏向性手征性动力学可以归因于三角形动量晶格的几何阻挫效应。最后，根据依赖于相互作用和规范场的动力学转变，在参数空间标定了手征性动力学、偏向性手征动力学和局域化区域。

图2 超冷原子的手征性动力学和依赖于规范场的局域化。

图3 超冷原子在三角形动量晶格两条链上的布居极化随原子相互作用的变化和偏向性手征性动力学。

总结与展望

研究结果有助于理解由相互作用、规范场和几何阻挫之间竞争引起的新奇动力学效应，为在非均匀规范场和更复杂几何构型下实现相互作用可控的量子输运和相变奠定了基础。该工作由山西大学贾锁堂教授、马杰教授、李玉清副教授实验课题组与中国科技大学易为教授合作完成。山西大学李玉清副教授为论文第一作者，马杰教授和易为教授为通讯作者，杜惠瑛博士、王云飞博士、梁军军副教授、肖连团教授和贾锁堂教授共同参与了该项研究工作。该工作得国家基金委重点国际合作项目、重大研究计划培育项目、面上项目、山西省基础研究计划优秀青年项目等科研项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43204-3

--课题组投稿