高维:显示玻色-爱因斯坦凝聚态如何在准晶光学晶格中被研究的图表。四个相交的光学晶格用蓝色表示。(资料

英国剑桥大学的乌尔里希·施耐德和他的同事们在二维准晶光学晶格上发现了超老原子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。这一开创性的研究为分形系统和高维系统的量子多体模拟奠定了基础。

准晶是一种结构在空间上不具有周期性，但具有一定长程顺序的材料。准晶具有自相似性的分形性质，与高维晶体有关。

光学晶格是利用驻波激光形成的，这种激光能以一定的间隔捕获原子。物理学家们已经研究了光学准晶内的超冷原子气体，这些准晶是由两个或多个具有不同晶格间距的光学晶格重叠而形成的。

不必要的散射

这些研究的主要目的之一是模拟准晶体内的量子多体系统的行为，并有可能在更高维度上进行模拟。然而，到目前为止，这些努力一直受到一些被困原子的激光诱导共振的阻碍，这些共振将激光散射到不需要的方向。

在他们的研究中，施耐德的团队从四个截留的一维光学晶格的平面排列中形成了一个光学晶格，它们之间的夹角为45°。然后他们对每个晶格进行微调，创造出一个具有8倍旋转对称性的准晶体。通过调整他们的光学晶格远离原子的共振频率，他们可以确保最小的不必要的散射。

他们的实验从一个由钾原子组成的预形成BEC开始，BEC是在没有光学准晶体的情况下产生的。然后，在持续几微秒的脉冲中打开光学晶格——形成准晶体。

被禁止的势头

施耐德和他的同事发现，在他们的准晶体被打开的短暂时间内，BEC中的原子将光子从一束散射到另一束。这使得原子处于独特的、时变的一系列动量状态。虽然在周期晶格中，较低的动量态是被禁止的，但在研究人员的准晶体BEC中，通过一系列光子诱导的小速度提升，这些准晶体BEC中的动量态依次向较低、距离更近的动量态移动。

物理学家们表示，这种行为在准晶体的动量空间中构成了“量子漫步”，从而产生了一种衍射模式，表现为无穷多个逐渐变大的八角形。这类似于1984年Dan Shechtman和他的同事发现的准晶体，他们观察到的电子衍射图显示的旋转对称性超过了周期晶体中允许的2 - 3 -和6倍对称。

从他们的观察中，Schneider的团队将二维准晶体解释为四维晶格在二维平面上的投影，证明了用类准晶体光学晶格模拟高维空间的可能性。他们的工作将很快使量子多体系统在新准晶环境下的可控模拟成为可能;潜在地允许探索新奇的4D现象。

这项研究发表在《物理评论快报》上。