在量子物理學領域，科學家們一直在探索如何利用量子系統的獨特性質來開發新技術，例如量子計算機。最近，ETH蘇黎世的研究人員在量子系統中觀察到了一個令人驚訝的現象：通過使用磁場，可以操縱人工構造的固態中的拓撲效應，從而控制粒子間的相互作用，使其開啓或關閉。
在實驗中，研究人員使用冷原子（費米鉀原子）構建了人工固態，這些原子被激光束捕獲在空間周期性的晶格中。通過額外的激光束，相鄰晶格點的能量級會周期性地上升和下降，並且彼此不同步。在沒有原子間相互作用的情況下，研究人員觀察到能量狀態的“甜甜圈”拓撲結構導致粒子在每個周期重複時總是沿相同方向被傳輸一個晶格點。
研究人員使用了一個螺絲的比喻來解釋這種現象：螺絲的旋轉是圍繞其軸心的順時針旋轉，但螺絲本身會向前移動。這種運動被稱爲拓撲泵浦，是某些拓撲系統的特征。然而，當螺絲遇到障礙時會發生什麽呢？在ETH研究人員的實驗中，這個障礙是另一束激光，它限制了原子在縱向方向上的運動自由。在大約100次螺絲旋轉後，原子就像撞到了一堵牆。
令人驚訝的是，原子並沒有簡單地停在牆上，而是突然轉身。盡管螺絲繼續順時針旋轉，但它的移動方向卻反向了。這一現象可以通過晶格中存在的兩種“甜甜圈”拓撲來解釋——一個順時針旋轉的“甜甜圈”和一個逆時針旋轉的“甜甜圈”。在牆上，原子可以從一種拓撲轉變爲另一種，從而反轉它們的運動方向。
當研究人員在原子之間引入排斥相互作用並觀察發生的情況時，他們再次感到驚訝：原子在到達激光牆之前，甚至在一堵看不見的屏障處就轉身了。通過模型計算，研究人員能夠展示出這種看不見的屏障是由原子本身通過相互排斥産生的。
這項研究的負責人Tilman Esslinger教授表示，這些觀察結果爲理解相互作用的拓撲系統邁出了重要的一步。他計劃進行進一步的實驗，以研究拓撲螺絲在面對混亂時是否如預期那樣穩健，以及原子在兩維或三維空間中的行爲。
此外，Esslinger教授還考慮了一些實際應用。例如，通過拓撲泵浦傳輸原子或離子可以作爲量子計算機中量子比特（qubits）的高速公路，將它們帶到正確的位置，而不會加熱或擾亂它們的量子狀態。
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參考資料：DOI： 10.1126/science.adg3848
