近日，山西大学激光光谱研究所李玉清副教授、马杰教授和梅锋教授在Light: Science & Applications期刊发表了题为《Atom-optically synthetic gauge fields for a noninteracting Bose gas》的研究论文。

沿闭合回路运动的带电粒子会感受到一个相位差，该相位差可用于研究凝聚态物理中的拓扑现象。对于不带电的粒子，如中性原子、光子，通过引入一个和路径相关的几何相位，能构建一个与带电粒子轨道磁场等效的合成磁场，即人工规范场。利用人工规范场模拟带电粒子的哈密顿量，可实现对复杂真实物理体系的量子模拟研究。超冷原子量子气体具有优越的可调控性，为人工规范场的研究提供了一个理想平台。目前，实验上已经观测到人工规范场下出现的手征性边界态和拓扑特性，但原子间存在一定的相互作用。为实现单粒子紧束缚哈密顿量的调控，需要开展无相互作用超冷原子的人工规范场研究。

研究团队首次利用无相互作用玻色量子气体的一维动量晶格合成了一个具有两条腿的梯子势，通过引入隧穿相位，在无相互作用的二维梯子势中实现了人工规范场。研究了均匀人工磁场下原子的布居动力学，观测到了手征性原子流，研究了梯子竖直方向上的耦合强度对手征性流的影响，对于更好理解人工规范场下的手征性极为重要。此外，通过构造非均匀人工磁场，研究了非均匀场中原子的输运特性，发现通过局部调节规范流可以控制原子在梯子中的输运。所得实验结果可以通过无相互作用下单粒子的紧束缚模型解释。

基于无相互作用玻色量子气体合成的人工规范场为研究各种无相互作用的单粒子模型提供了一个非常理想的实验平台。接下来，利用Feshbach共振调节原子间的相互作用，可以研究相互作用对人工规范场和拓扑物理的影响，对强关联物理的量子模拟研究具有重要意义。

山西大学李玉清副教授为第一作者，马杰教授和梅锋教授为通讯作者，贾锁堂教授和肖连团教授等共同参与了研究工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家基金委重点国际合作研究项目、国家基金面上项目等项目的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00702-7