高維:顯示玻色-愛因斯坦凝聚態如何在準晶光學晶格中被研究的圖表。四個相交的光學晶格用藍色表示。(資料
英國劍橋大學的烏爾裡希·施耐德和他的同事們在二維準晶光學晶格上發現了超老原子的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)。這一開創性的研究為分形系統和高維繫統的量子多體模擬奠定了基礎。
準晶是一種結構在空間上不具有周期性，但具有一定長程順序的材料。準晶具有自相似性的分形性質，與高維晶體有關。
光學晶格是利用駐波激光形成的，這種激光能以一定的間隔捕獲原子。物理學家們已經研究了光學準晶內的超冷原子氣體，這些準晶是由兩個或多個具有不同晶格間距的光學晶格重疊而形成的。
不必要的散射
這些研究的主要目的之一是模擬準晶體內的量子多體系統的行為，並有可能在更高維度上進行模擬。然而，到目前為止，這些努力一直受到一些被困原子的激光誘導共振的阻礙，這些共振將激光散射到不需要的方向。
在他們的研究中，施耐德的團隊從四個截留的一維光學晶格的平面排列中形成了一個光學晶格，它們之間的夾角為45°。然後他們對每個晶格進行微調，創造出一個具有8倍旋轉對稱性的準晶體。通過調整他們的光學晶格遠離原子的共振頻率，他們可以確保最小的不必要的散射。
他們的實驗從一個由鉀原子組成的預形成BEC開始，BEC是在沒有光學準晶體的情況下產生的。然後，在持續幾微秒的脈衝中打開光學晶格——形成準晶體。
被禁止的勢頭
施耐德和他的同事發現，在他們的準晶體被打開的短暫時間內，BEC中的原子將光子從一束散射到另一束。這使得原子處於獨特的、時變的一系列動量狀態。雖然在週期晶格中，較低的動量態是被禁止的，但在研究人員的準晶體BEC中，通過一系列光子誘導的小速度提升，這些準晶體BEC中的動量態依次向較低、距離更近的動量態移動。
物理學家們表示，這種行為在準晶體的動量空間中構成了“量子漫步”，從而產生了一種衍射模式，表現為無窮多個逐漸變大的八角形。這類似於1984年Dan Shechtman和他的同事發現的準晶體，他們觀察到的電子衍射圖顯示的旋轉對稱性超過了週期晶體中允許的2 - 3 -和6倍對稱。
從他們的觀察中，Schneider的團隊將二維準晶體解釋為四維晶格在二維平面上的投影，證明了用類準晶體光學晶格模擬高維空間的可能性。他們的工作將很快使量子多體系統在新準晶環境下的可控模擬成為可能;潛在地允許探索新奇的4D現象。
這項研究發表在《物理評論快報》上。
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