三维空间以外还有什么？物理学家利用电子制造“合成维度”

三维空间是我们熟悉的空间结构。近日，有物理学家尝试挑战超过三维空间的空间界限。

莱斯大学（Rice University）的物理学家正在进行新的实验，研究团队已经学会了如何精确地控制巨大的里德伯原子（Rydberg atoms）中的电子，他们可以创造一种"合成维度"，这是量子模拟的重要工具。

莱斯团队开发了一种技术，通过应用共振微波电场将许多状态耦合在一起，来设计超冷锶原子的里德伯态（Rydberg state）。当原子中的一个电子在能量上被提升到一个高度兴奋的状态时，就会出现里德伯态，使其轨道变得超大，使原子比正常情况下大几千倍。

超冷的里德伯原子比绝对零度高约百万分之一。通过精确和灵活地操纵电子运动，莱斯量子计划（Rice Quantum Initiative）的研究人员以模拟真实材料的方式将格子状的里德伯级耦合起来。这些技术还可以帮助实现在真实三维空间中无法实现的系统，为量子研究创造一个强大的新平台。 

里德伯原子拥有许多有规律间隔的量子能级，这些能级可以通过微波耦合，使高度激发的电子在能级之间移动。这个“合成维度”的动力学在数学上相当于一个粒子在真实晶体的晶格点之间移动。

研究人员通过实现一个被称为Su-Schrieffer-Heeger系统的一维晶格来证明他们的技术。为了制造它，他们用激光器冷却锶原子，并应用具有交替的弱耦合和强耦合的微波来创造适当的合成景观。第二组激光器被用来将原子激发到耦合的、高位的里德伯态流形。

研究者称，该实验揭示了粒子如何在一维晶格中移动，或者在某些情况下被冻结在边缘，即使它们有足够的能量来移动。这与可以用拓扑结构来描述的材料特性有关。

研究者称，这个实验结合了现在研究原子物理的实验室中相当标准的技术。当使用毫米波来耦合里德伯态时，更容易对耦合振幅进行控制。当实现了一维晶格，所有的耦合都到位了，可以尝试看看激发一个里德伯电子进入该合成空间会产生什么动力学。

题为Realizing topological edge states with Rydberg-atom synthetic dimensions的相关研究论文发表在《自然-通讯》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28550-y