Light | 熱原子超輻射晶格的幾何相位

2022-11-18 11:59

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

聽全文

| 導(dǎo)讀 |

浙江大學(xué)量子光學(xué)團(tuán)隊(duì)基于動(dòng)量空間超輻射晶格的物理圖像，通過測量室溫原子在周期性光場中的光學(xué)響應(yīng)，模擬了布洛赫電子在電場作用下的能級劈裂和交叉，并從其能譜特征中提取了布洛赫能帶的幾何相位，為基于室溫原子的量子模擬提供了新的手段。

該文章近日發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Measuring Zak phase in room-temperature atoms”，論文共同第一作者是浙江大學(xué)博士生毛若松、王潔菲和徐興奇博士，通訊作者為蔡晗研究員和王大偉研究員。其他作者還包括博士生錢格威、徐晨燃博士和朱詩堯院士。

幾何相位是由哈密頓量的幾何性質(zhì)所決定的相位，在拓?fù)湮飸B(tài)的分類中占據(jù)至關(guān)重要的地位，是拓?fù)湮锢硌芯康暮诵膯栴}。然而幾何相位的測量并非易事。在量子霍爾效應(yīng)中，幾何相位對應(yīng)于量子化的霍爾電導(dǎo)。但除此之外，幾何相位一般不能被直接觀測，需要通過測量量子態(tài)在閉合路徑中相位積累來確定。這依賴于量子態(tài)的精確制備和操控，在原子實(shí)驗(yàn)中需要極低的溫度和精確的光脈沖控制。更為簡單的幾何相位測量方法可為拓?fù)湮飸B(tài)的標(biāo)定和應(yīng)用提供便利。

晶體中電子的現(xiàn)代極化理論為幾何相位的測量提供了一種新的思路。其核心結(jié)論是電子極化依賴于能帶的幾何相位。幾何相位決定了電子瓦尼爾波函數(shù)的位置，從而決定了固體中電子在電場中的能量（圖1）。

圖1. 電子波包經(jīng)過布里淵區(qū)之后獲得幾何相位，其大小與晶體電極化率直接對應(yīng)。在電場下的瓦尼爾-斯塔克能級劈裂反應(yīng)出幾何相位信息。

因此，通過測量能譜可以獲得幾何相位信息。具體而言，電子在電場中的本征態(tài)形成瓦尼爾-斯塔克能梯，其能量隨電場的偏移和能帶幾何相位成線性依賴關(guān)系。通過測量能量偏移隨電場變化的斜率可以確定幾何相位。但是由于退相干的影響，這種方法很難直接用于電子的幾何相位測量。而在其他體系中，這一方法并沒有得到充分的利用和研究。

鑒于此，近期浙江大學(xué)量子光學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用超輻射態(tài)構(gòu)造了一種動(dòng)量空間的晶格，即超輻射晶格。在傳統(tǒng)的實(shí)空間晶格如超冷原子光晶格中，原子熱運(yùn)動(dòng)是需要消除的噪音來源。而在這一動(dòng)量空間晶格中，原子熱運(yùn)動(dòng)起到了電場的作用：運(yùn)動(dòng)原子周期性地經(jīng)過實(shí)空間布里淵區(qū)，與晶體中電子在電場作用下周期性地經(jīng)過倒空間布里淵區(qū)的物理圖像相對應(yīng)。

圖2. 實(shí)驗(yàn)原理示意圖。

該研究團(tuán)隊(duì)調(diào)節(jié)兩束激光耦合原子實(shí)現(xiàn)了多種兩能帶超輻射晶格結(jié)構(gòu)，并通過分析其吸收譜得到了能帶的幾何相位。他們發(fā)現(xiàn)，原子的速度決定了動(dòng)量空間等效電場的大小以及原子的瓦尼爾-斯塔克能梯間距。對于某些速度，兩個(gè)能帶的能梯會(huì)發(fā)生反交叉，從而在吸收譜上造成凹陷。研究團(tuán)隊(duì)通過標(biāo)定凹陷的位置，計(jì)算了能梯隨速度變化的斜率，從而獲得了能帶的幾何相位。他們測量了Semenoff絕緣體（圖3A）、Su-Schrieffer-Heeger模型（圖3B）和更一般的Rice-Mele模型（圖3C）的幾何相位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了該方法的有效性。

該項(xiàng)研究可以被推廣到更高維系統(tǒng)，用于測量陳數(shù)等高維拓?fù)洳蛔兞俊Ｍㄟ^發(fā)展速度分辨的能譜測量技術(shù)，幾何相位的測量精度可被進(jìn)一步提高，并用于實(shí)現(xiàn)時(shí)空晶體、非互易隧穿、瓦尼爾卷繞等重要物理現(xiàn)象。本工作是該研究團(tuán)隊(duì)繼超輻射晶格手性邊緣流[Phys. Rev. Lett.122,023601(2019)]和平帶局域化[Phys. Rev. Lett.126,103601(2021)] 的觀測之后，在室溫原子量子模擬方向的又一重要成果，發(fā)展了原子體系中探索復(fù)雜物態(tài)的新方法，為拓?fù)湮锢淼氖覝亓孔幽M及其在光學(xué)器件中的應(yīng)用鋪平了道路。