Laughlin態是Robert Laughlin在1983年提出的一個理論預測，描述了分數量子霍爾效應（FQHE）中出現的強關聯物質狀態。在FQHE中，二維電子氣在強垂直磁場下表現出分數填充因子的量子霍爾電導，這與整數量子霍爾效應形成了鮮明對比。Laughlin態以其獨特的波函數和分數化的準粒子激發而著稱，成為了我們理解強關聯系統的基石。

雖然FQHE已經在固態系統中得到了廣泛研究，但由于凝聚態系統的復雜性，Laughlin態的直接觀測和操縱一直難以實現。然而，近年來超冷原子物理學的進展為實現和探測強關聯量子態提供了新的途徑。特別是，利用光鑷捕獲和操縱單個原子的能力，使得人們能夠創造出人工量子系統，為研究少體物理和模擬多體現象提供了一個平臺。

最近，發表在《物理評論快報》的一篇開創性論文中，Philipp Lunt及其團隊提供了一種實現這種狀態的開創性實驗方法。

實驗方法

為了實現雙費米子的Laughlin態，研究人員采用了一個被光鑷捕獲的雙費米子原子系統。通過快速旋轉光鑷，產生了一個有效的磁場，模擬了FQHE的條件。兩個原子之間的相互作用，由短程勢介導，在驅動系統進入Laughlin態中起著關鍵作用。

關鍵實驗步驟

1. 系統準備：將兩個費米子原子（通常是同一種原子）加載到一個單一的光鑷中。然后高速旋轉光鑷，誘導出科里奧利力，作為有效的磁場。
2. 冷卻和態制備：系統被冷卻到極低溫，以確保原子占據最低能量態。仔細制備兩個原子的初始態，通常處于不同角動量態的疊加態。
3. 觀測和測量： 為了表征Laughlin態，研究人員采用了多種技術，包括：

• 單原子成像：通過直接成像兩個原子的位置，研究人員可以觀察到Laughlin態特征的空間關聯和渦旋圖案。
• 自旋分辨成像：通過測量原子的自旋態，研究人員可以探測Laughlin態的拓撲性質，如陳數。
• 譜學：通過外部擾動激發系統，研究人員可以測量能譜并識別分數化的準粒子激發。

發現與觀察

Lunt等人的實驗揭示了快速旋轉費米子行為的幾個關鍵見解：

• 渦旋分布：團隊觀察到費米子相對運動中的渦旋分布，這與Laughlin態的理論預測一致。
• 粒子相關性：檢測到費米子位置之間的強相關性，突顯了Laughlin態波函數的影響。
• 相互作用抑制：研究人員注意到費米子之間的相互作用抑制，這種現象是Laughlin態相關特性的體現。

這些觀察結果不僅證實了Laughlin態的實現，還為進一步的理論和實驗研究提供了有價值的數據。

結論

這篇論文在實驗量子物理學中代表了一個重要成就。通過精密控制超冷費米子原子并模擬Laughlin態所需條件，Philipp Lunt及其團隊提供了這一奇異量子相的具體展示。他們的發現不僅驗證了理論預測，還為未來的量子霍爾狀態和拓撲物質研究奠定了基礎。