用超冷原子气体模拟自旋动力学
研究人员在接近绝对零度的锶原子气体中产生了之前难以研究的量子现象的类似物。
最近，研究人员已经开始使用超冷原子气体来模拟在自然环境中难以研究的现象。例如，利用电磁场，可以调节原子间的相互作用，使之类似于凝聚态系统中的相互作用，这可以用比自然例子所允许的更大的实验控制来研究原子间的相互作用（可以调节气体原子之间的散射长度趋于无穷大的情况，即幺正极限，译者注）。当前，新加坡南洋理工大学的David Wilkowski和他的同事们用一种超冷原子气体来模拟凝聚态系统的自旋动力学[1]。
Wilkowski 的团队将锶87原子气体冷却到 30 nK。然后他们使用三束会聚的激光，驱动气体通过各种跃迁，直到原子进入两个所谓的暗态，在这种暗态中，量子力学禁止原子进行自发辐射。
两种暗态之间的关系与相反的量子自旋态之间的关系是类似的：由于具有不同自旋的粒子在磁场中的运动方式不同，因此处于不同暗态的原子在激光场中的运动方式也不同。当原子在这些暗态的不同叠加态之间共同演化时，它们与场的相互作用会导致它们的质心发生“摇晃”运动。这种相互作用再现了自旋-轨道耦合现象，暗态代表自旋，原子运动代表轨道角动量。这种与自旋系统的类比可以更进一步：在实验中，气体摇晃运动的方向与其平均动量垂直——一种速度-动量关系与凝聚态系统中的自旋霍尔效应相似，其中电荷电流会引起垂直自旋流。下一步，研究人员计划使用原子和激光场之间更复杂的相互作用来模拟高能粒子系统。
参考文献：[1]M. Hasan et al., “Wave packet dynamics in synthetic non-Abelian gauge fields,” Phys. Rev. Lett. 129, 130402 (2022).