物性物理学：光ドレストBECにおける1Dトポロジカルゲージ理論の実現

トポロジカルゲージ理論は、弱く相互作用する有効模型を通して、ある種の強相関量子系の低エネルギー特性を記述する。その典型例が、分数量子ホール状態のChern–Simons理論であり、この理論では、弱く相互作用する物質粒子と、密度に依存するゲージ場の間の結合からエニオン励起が生じる。従来の固体プラットフォームでは、そうしたゲージ理論は便宜的な理論構成にすぎないが、人工的な量子系では、それを直接実現できるとともに、強い相互作用を必要とせずにその現象論を探る豊かな舞台が得られる。今回我々は、ボース・アインシュタイン凝縮体においてChern–Simons理論を一次元化すること（カイラルBF理論）によって、トポロジカルゲージ理論の量子シミュレーションを実行したことを報告する。我々は、この理論の局所保存則を用いて、カイラル物質相互作用に有利になるようにゲージ自由度を取り除き、この相互作用を、運動量に依存する散乱特性を持つ光ドレスト原子状態を合成することによって操作した。これによって、カイラルソリトンの形成と、系自体が生成する電場の出現という、カイラルBF理論の主要特性の解明が可能になった。今回の結果は、量子シミュレーションの対象範囲をトポロジカルゲージ理論に拡大し、より高い次元の類似したゲージ理論の実現への道を開く。

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