物理学家通过“加热”展示探测拓扑

捕获在光学晶格中的超冷原子气体特别适合于新发现的实验实现。(

物理学家揭示了一个有趣的拓扑结构表现，它以响应外部驱动的物质拓扑状态的耗竭率出现。

在物理科学中，某些数量以基本和不可渗透元素的整数倍形式出现。这种对物理量的量化是我们对自然的描述的核心，它在整个世纪中一直沿用，正如原子的古老概念所证明的那样。重要的是，量化数量的发现通常与我们对自然定律的理解和认识方面的革命有关，这是一个引人注目的例子，即以光子的形式对光进行量化，这导致了我们对微观的当代（量子力学）描述。世界。

在《科学进展》上发表的一篇文章中，由内森·高德曼（Nathan Goldman）教授（布鲁塞尔，布鲁塞尔）领导的国际团队预测了一种新型的量化定律，它涉及可观察到的不同类型的物理现象：外部振动时量子系统的加热速率。为了理解这个概念，让我们首先考虑一个更简单的类似图片：将冰块放入微波炉后，微波炉会激发水分子，从而导致冰逐渐融化。在该加热过程中，形成冰的分子数量随时间减少，该过程可以通过加热速率来量化。在本文中，作者演示了在特定情况下，这样的加热速率必须如何满足优雅而精确的量化定律。特别是，作者解释说，这种现象是在最初形成外来物质状态（拓扑状态）的物理系统以受控方式加热时发生的；在加热时，颗粒从拓扑相中喷出（与上述冰的融化直接相似），并且相应的加热速率显示出满足上述量化定律。

这种新颖的量化定律的一个关键方面是，它是由系统初始阶段的拓扑性质决定的，与固体中电导的量化直接相似。为了理解这种类比，我们提醒您，可以用“电导量子”来量化决定材料中电流产生效率的电导。这是量子霍尔效应的标志，该效应在1985年和1998年两次获得诺贝尔奖。出乎意料的是，这种电导的量化被证明与基本的数学概念：拓扑密切相关。简而言之，拓扑结构旨在根据几何对象的最基本特征（例如，孔或绕组的数量）对几何对象进行分类。电导的物理量化与拓扑的抽象概念之间的这种优雅关系为探索广泛的奇异物质状态族（所谓的拓扑相）打开了大门，该相态的发现最近获得了2016年诺贝尔物理学奖的殊荣。 。从这个意义上讲，由高盛教授领导的国际团队报告的发现为物理学和拓扑学中的量化定律之间的有趣联系提供了新颖的视角。

除了这种新颖的加热速率量化定律的优美之处之外，这一发现还具有重要的推论：加热量子系统可以用作奇异物质状态的通用探针。作者提出了一种特别适合其实验实现的物理平台：被捕获在光学晶格中的超冷原子气体（由光产生的周期性景观）。已知这样的设置可以构成用于拓扑物质量子工程的理想工具箱，也可以用于实现新型类型的测量。在实践中，提出的实验将包括以下步骤：准备拓扑阶段，方法是将超冷气体加载到光学晶格中，然后以圆形方式摇晃该晶格。然后，通过测量一定的振动时间后保留在拓扑相中的原子数，可以提取出最终的加热速率。

这项工作源于布鲁塞尔的高盛（Goldman）教授与彼得·索勒（Peter Zoller）教授（奥地利科学院量子光学与量子信息研究所以及因斯布鲁克大学理论物理研究所）之间的密切合作。雅克·索尔维（Jacques Solvay），2015年国际物理系主任。成立于2006年的这一国际主席使索尔维研究所能够邀请布鲁塞尔的著名科学家进行一到两个月的研究。这项卓有成效的合作还涉及来自ICFO（巴塞罗那），Néel研究所（格勒诺布尔）和加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员。

出版物：Duc Thanh Tran等人，“通过“加热”探测拓扑：《超冷原子中的定量圆二色性》，《科学进展》，2017年8月18日：卷3号8，e1701207； DOI：10.1126 / sciadv.1701207