量子突破：首次实现劳夫林态
发表在最近《自然》杂志上的一篇重要论文中，物理学家首次报告了利用激光操纵的超冷中性原子实现了劳夫林态的量子突破。
劳夫林态
劳夫林态（Laughlin State）是一种奇特的量子物态，最初在20世纪80年代由诺贝尔奖获得者、美国科学家罗伯特·劳夫林（Robert Laughlin）从理论上预言，并以他的名字命名。这种态形成于二维材料中，在极低温和强磁场条件下观察到。劳夫林态具有许多令人惊奇的特性，对于理解凝聚态物质中的量子现象至关重要。
在劳夫林态中，电子表现出一种非常特殊的行为。通常情况下，只在二维材料的极低温条件下，并在极强磁场的作用下出现。电子在凝聚态材料中形成晶格结构，它们以固定的方式排列和运动。然而，在劳夫林态中，电子形成一种液体状态，相互之间表现出强烈的相互作用。
这种液体状态中的电子并不像在晶格中那样规律地排列，而是以一种不寻常的方式相互跳舞，尽可能地避免彼此靠近。这导致了在劳夫林态中，电子的统计行为违反了传统的粒子分类，既不是玻色子也不是费米子。
玻色子和费米子是两类常见的粒子，它们遵循不同的统计行为。玻色子可以在同一个量子态中存在多个，并可以彼此叠加，而费米子则遵循泡利不相容原理，每个量子态只能容纳一个费米子。然而，在劳夫林态中，电子表现出介于玻色子和费米子之间的特殊统计行为，这些电子被称为“任意子”。
任意子具有一些特殊的性质。首先，它们携带分数电荷，即它们携带的电荷量是基本电荷的一小部分。这与传统的粒子不同，它们的电荷量是基本电荷的整数倍。此外，任意子在相互交换时还会导致量子相位的变化，这是一种与玻色子和费米子不同的量子统计效应。
劳夫林态的研究对于理解凝聚态物质中的量子现象和拓展量子计算和量子模拟器的应用具有重要意义。通过研究劳夫林态及其近亲，科学家们可以深入探索量子统计的奇特行为，并将其应用于量子计算、量子模拟和量子信息等领域。这一领域的研究有望推动我们对量子物理的理解，并为未来的量子技术发展开辟新的前景。
最新突破
多年来，科学家一直在努力寻找在实验室中实现劳夫林态的方法。最近的研究突破包括利用超冷中性原子系统通过激光操纵来实现劳夫林态，为进一步研究其性质和应用打开了新的可能性。然而，所需的组成部分（二维性质、强磁场和粒子之间的强相关性）被证明非常具有挑战性。
最近，哈佛大学物理学教授马库斯·格赖纳（Markus Greiner）领导的一个国际团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，首次报告了利用激光操纵的超冷中性原子实现劳夫林态的突破。
该实验包括将一些原子囚禁在光学盒中，并实现了产生这种奇特状态所需的组成部分：强磁场合成和原子之间的强烈排斥相互作用。
在该研究中，研究人员利用强大的量子气体显微镜对原子进行逐个成像，揭示了劳夫林态的特征性质，展示了粒子之间的奇特“舞蹈”，这些粒子相互绕轨道运动，揭示了实现的原子劳夫林态的分数量子霍尔效应特性。
这一重大突破为探索劳夫林态及其近亲，例如著名的摩尔-里德态（Moore-Read state），在量子模拟器中的应用打开了全新的领域。通过利用任意子在实验室中独特性质的可能性，量子气体显微镜（quantum-gas microscope）的创建、成像和操纵任意子变得特别具有重要的应用前景。
参考：“利用超冷原子实现分数量子霍尔态”，2023年6月21日，《自然》。DOI：10.1038/s41586-023-06122-4
来自：量子认知
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