光变成了奇异的拉夫林物质

解决一个困难的物理问题可能会出人意料地类似于组装一个连锁式的机械拼图。在这两种情况下，颗粒或碎片看起来都很相似，但可以排列成一个漂亮的结构，这取决于每个组件的精确位置(图1)。1983年，物理学家罗伯特·劳克林(Robert Laughlin)在一种名为霍尔棒1(Hall Bar 1)的设备中解释了电子相互作用形成的结构，从而解开了谜团。尽管这些电子的奇怪行为仍然让物理学家们着迷，但模拟这样的系统或精确测量粒子的超短时间和长度尺度是不可能的。克拉克等人在“自然”杂志上撰文。2报道了一种由复合物质-轻粒子组成的非电子Laughlin态的产生，这种粒子被称为极化子，比电子更容易追踪和操纵。

为了描绘拉夫林状态，请考虑霍尔棒，在其中通常可以观察到这样的状态(图2A)。在这些器件中，可以在二维平面上自由运动的电子受到垂直于平面的强磁场的影响。在经典物理中，任何位置的电子都会开始沿着被称为回旋轨道的圆形轨道运动，回旋轨道的半径取决于粒子的动能。在量子力学中，电子的位置仍然是自由的，但它的轨道半径--因此，它的动能--只能以离散的步骤增加或减少。这一特征导致大量等能量(能量简并)的状态被称为朗道能级。添加到最低能级的非相互作用电子可以许多不同的方式分布在能级的能量简并态之间。

增加电子之间的排斥相互作用限制了粒子在最低朗道能级上的分布，有利于任何两个电子在同一地点的几率为零的构型。Laughlin描述的状态正是具有这一性质，并解释了分数量子霍尔效应的主要特征，即强磁场中的电子共同作用，表现为具有分数电荷的粒子。这项工作为劳克林赢得了1998年诺贝尔物理学奖的一部分。Laughlin态是真正的多体状态，不能用典型的近似来描述，例如平均场近似。相反，每个粒子的状态取决于所有其他粒子的精确状态，就像在连锁拼图中一样。

为了获得由偏振子组成的Laughlin态，克拉克和他的同事需要在光子系统中添加两个元素。第一种是相当于会导致光子态能量简并的磁场。第二种是光子相互作用的方式，这将迫使系统形成拉夫林状态，而不是任何其他简并的最低能量状态的组合。在一组开创性的实验中，作者的研究小组先前已经独立地演示了每种元素3、4。在目前的工作中，这些元素被组合在一起。

克拉克和他的同事使用了一种称为光学腔的光子系统，它由四面镜子组成(图2B)。这种设置导致不同的拉盖尔-高斯模式(具有甜甜圈形状的光模式)彼此具有相同的能量，形成类似朗道能级。在腔中传播的光与铷原子云相互作用，将这些原子提升到高度激发(里德堡)态，这些态相对较大，相互作用很强。相互作用的腔体光子和原子形成了研究人员研究的极化子。这些极化子既继承了其光子部分的能量简并，又继承了其原子部分的相互作用，因此可以进入Laughlin态。

作者们观察到了可能最小的Laughlin态--一个由两个极化子组成的态。他们通过仔细研究腔体发出的光，展示了这种量子态的特性。因为这个系统中的时标比电子系统中的时标要长得多，Clark等人说。可以测量每种光模式下的光子数量，以及光子的时间和空间相关性，证明了这种长期寻找的状态的形成。

这项工作是量子模拟领域的里程碑5，6。该领域的物理学家建立实验来模拟发生在难以操纵和不可能用计算建模的系统中的现象。仿真系统与原始现象完全不同，但具有相同数量的控制参数，可以用来尝试再现和理解现象的基本原理。

克拉克和他的同事的结果进一步验证了研究强关联系统的量子模拟方法。此方法是查找具有出处的材料的关键

这项工作的主要成就是观察到了由极化子组成的尽可能最小的Laughlin态，并对其进行了仔细的表征。未来的研究可能会产生更大的状态，这些状态在计算上是难以处理的，并可以探索这个系统的激发。这样的进步将测试该平台容纳两个以上极化子的能力，并构建更大的物质和光的谜题。