如何將一個量子系統的升溫作為對物質的奇異狀態的普遍探測

物理科學某些物理量作為基本和不可分割元素的整數倍數出現。這個物理量的量子化，是我們對自然的描述的核心，它已經經過了幾個世紀，就像古代原子的概念所證明的那樣。重要的是，量化量的發現常常與我們對自然法則的理解和欣賞的一場革命有關，一個顯著的例子就是光在光子上的量子化，這導致我們當代(量子力學)對微觀世界的描述。

由Bruxelles大學的教授內森·高曼教授領導的一個國際團隊預測了一種新的量化法，它涉及到一種不同類型的物理可觀察性:在外部震動時量子系統的加熱速率。為了理解這個概念，讓我們先來考慮一個更簡單的類比：當一個冰立方被放置在一個微型波爐中，後者會激發水分子，從而導致冰的逐漸融化;在加熱過程中，形成冰的分子數量會隨著時間的推移而減少，這一過程可以通過加熱速率來量化。

圖片版權：Libre de Bruxelles, Université

在本文中作者論證了在特定的條件下，這樣的加熱率必須滿足精確的量化規律。具體地說這種現象發生在一個物理系統，最初形成一個奇異的物質狀態(一個拓撲階段)時，它被以一種可控的方式加熱;在加熱過程中，粒子被從拓撲相(直接類推到上面描述的冰的融化)中噴射出來，相應的加熱速率被證明符合上述的量子化定律。

這一新的量化法的一個關鍵方面是，它是由系統初始階段的拓撲性質決定的，直接類比於固體中的電導的量子化。為了理解這個類比，我們要提醒，電導，它決定了在材料中產生電流的效率，可以用「電導量子」來量子化;這是量子霍爾效應的標誌，它在1985年和1998年兩次獲得諾貝爾獎。令人驚訝的是這種電導的量子化被證明與一個基本的數學概念有關:拓撲。

簡而言之拓撲學的目標是根據它們最基本的特徵來分類幾何對象，例如它們的孔數或繞組數。這種物理量子化與拓撲抽象概念之間的這種優雅的關係打開了對物質的奇異狀態的探索之門，即所謂的拓撲階段，它的發現最近被2016年的諾貝爾物理學獎授予了榮譽。由高曼教授領導的國際小組所報告的這一發現，為物理學和拓撲的量化規律之間有趣的聯繫提供了一個新的視角。

除了這個新的加熱速率量化定律之外，這個發現還有一個重要的推論:加熱一個量子系統可以作為對物質的奇異狀態的通用探針。作者提出了一個物理平台，它特別適合於它的實驗實現:一種被困在光學格子里的原子(由光產生的周期性景觀)。眾所周知，這樣的設置為拓撲物質的量子工程提供了一個理想的工具箱，同時也用於實現新的測量類型。

在實踐中所提出的實驗將包括準備一個拓撲階段，通過將一個超舊的氣體載入到一個光學晶格中，然後以圓形的方式搖動這個晶格;然後，通過測量在一定持續時間內停留在拓撲階段的原子數，從而提取出加熱速率。

參考期刊： 科學進步

提供： Universitélibre de Bruxelles

編譯：光量子

審校：博科園

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