实验装置示意图，显示了磁通梯的几何形状，梯子的每个格子都被 pi/2 的均匀磁通量穿透。在莫特-迈斯纳相中，理论预计手性粒子电流将会沿着梯脚流动（梯子中间，蓝色箭头）。

当量子系统受到周期性驱动（即对系统参数进行随时间变化的操作）时，就会表现出在与时间无关（即静态）条件下不存在的有趣的物质新阶段。除其他外，周期性驱动可用于合成规规场工程，即模仿电磁场行为的人工构造，并可利用中性原子量子模拟器研究拓扑多体物理学。

慕尼黑大学、马克斯-普朗克量子光学研究所和慕尼黑量子科技中心（MCQST）的研究人员最近利用中性原子量子模拟器，在大规模玻色通量梯中实现了一种强相互作用的物质相，即莫特-迈斯纳相。相关突破性成果发表在《自然-物理》（Nature Physics）上，为拓扑量子物态的深层研究开辟全新范式。

“我们的工作受到了中性原子量子模拟领域长期努力的启发，即研究磁场存在时物质的强相互作用相，”论文第一作者亚历山大-伊姆佩特罗（Alexander Impertro）告诉我们?！罢饬街殖煞值南嗷プ饔每梢圆髦志哂衅嫣匦灾实牧孔佣嗵逑唷！?/span>

“虽然它们的微观机制通常都很好理解，但出现的多体特性却难以捉摸，在传统固体中很难探究，一个显著的例子就是（分数）量子霍尔效应。不幸的是，Floquet调控技术是获得中性原子有效磁场的主要方法之一，但它通常会在相互作用的量子系统中引起强烈加热?！?/span>

众所周知，由Floquet调控技术引发的加热过程会迅速破坏脆弱的量子态。因此，之前大多数探测奇异量子多体相的实验都只关注非相互作用或弱相互作用系统，而强相关的实验仍然只局限于两个粒子。

伊姆佩特罗和他的同事们最近研究的第一个目标是利用他们开发的新量子模拟实验平台的能力，实现人工磁场和强相互作用几乎不产生加热的量子多体态。此外，他们还希望模拟更大的系统，使其远远超过以前实验中实现的双粒子系统。

在实验中，研究人员利用了光学超晶格、短间距垂直晶格和所谓的费什巴赫共振，后者提供了一个重要的调谐旋钮。此外，他们还采用了最近开发的一种精确测量粒子电流的技术。

“利用光学超晶格，我们将二维光学晶格划分为独立的梯形系统阵列，并在其中实现了实验研究，”伊姆佩特罗 解释道。“此外，构成梯子梯级的双井也是我们用来创建人工磁场的 Floquet调控技术的基础?！?/span>

“直观地说，这项技术利用额外的激光束改变晶格中粒子的运动，进而将磁场效应印在原子上，模拟洛伦兹力或霍尔偏转?！?/span>

实验测量的相图（数据点和实线），与没有相互作用（虚线）的可比系统显示出显著差异。

最后，伊姆佩特罗和他的同事利用了铯的费什巴赫共振。铯的这一特性使他们能够在很大范围内调节原子间的相互作用强度，这对于在低加热条件下制备所需的强相互作用量子态以及探测量子态对相互作用强度变化的响应都非常重要。

伊姆佩特罗说：“在制备态时，我们遇到的主要挑战是找到合适的参数区，使周期性调制（Floquet工程）引起的加热率最小，这对大型多体系统来说尤其具有挑战性；找到制备路径，使我们能够将易于制备的初始态绝热转化为感兴趣的量子态，而不会产生激变?！?/span>

“最后，表征通量阶梯（如莫特-迈斯纳相）基态的一个核心量是持续的粒子电流。”

值得注意的是，像伊姆佩特罗和他的同事们所使用的量子气体显微镜通常只能测量局部密度，而无法测量电流。为了能够测量电流，研究小组采用了他们在早期研究中开发的电流检测技术，并将其调整用于实验目的。

伊姆佩特罗说：“我们首次能够在 Floquet 工程量子系统中制备出具有大量粒子的低温态，并对其特性进行微观研究。我们还演示了在大型系统中以全空间分辨率测量粒子电流，这是利用量子气体显微镜探测这些物理现象的全新方法?！?/span>

“这是在合成量子系统中研究分数量子霍尔相的关键一步，而研究分数量子霍尔相是从超导量子比特到光子学、中性原子和雷德堡原子阵列等各个领域的长期目标?！?/span>

绝热制备序列。a, 多体间隙与 K/J 和 U/J = 10 时板间耦合 J′/J 的函数关系，使用 DMRG 模拟。紫色实心箭头表示 b 和 c 中黑星表示的迈斯纳示例态的环耦合和板间耦合序列的制备路径。b、c，K/J = 1.98(5)和 U/J = 11.02(5)的最终迈斯纳态的梯形（b）和梯形（c）耦合序列中持续时间为 Tramp 的绝热斜坡期间的电流演变。u（l）表示上（下）段，e（o）交替表示偶（奇）段。误差条表示 s.e.m.，如果不可见，则小于标记大小。每个数据点都是 30 次重复和 14 个阶梯（共 48 个点）的平均值。

伊姆佩特罗和他的同事们希望，他们最近的努力将为未来以拓扑多体物理学为重点的理论和实验研究提供参考。未来，他们所设计的方法可能有助于实现其他复杂的量子相，而这些量子相迄今为止还很难在实验中实现。

伊姆佩特罗说：“一方面，我们表明，现在确实可以通过实验实现具有人工磁场的相互作用系统，并达到相当大的系统规模。这为多体系统的平衡内和平衡外的量子模拟提供了一个新的平台，而经典的数值技术却很难对这些平衡内和平衡外的多体系统进行模拟。另一方面，通过与数值模拟的比较，我们可以得出制备态有效温度的估计值?！?/span>

伊姆佩特罗和他的同事们引入的新方法很快就能验证强相互作用量子多体系统的理论模型，同时还可能促进量子技术的未来发展。在接下来的研究中，研究人员计划进一步探索莫特-迈斯纳相之外的相互作用通量梯的丰富相图，例如通过探测涡旋态或对称性断裂态。

伊姆佩特罗补充说：“在这些未来的研究中，关键是要进一步降低实验可及的温度尺度，因为这些相中有许多甚至更加脆弱。此外，一个长期目标是将梯形几何扩展到全二维系统，从而可以研究分数量子霍尔态中的任子等奇异物理学?！?/span>