测量室温原子中的Zak相

在拓扑绝缘体中，能带的全局几何相位决定了单向传播的边缘状态的存在，这些边缘状态不受局部缺陷的影响，为设计电子、光子和原子的噪声弹性器件带来了新的阶段。通过布里渊区绝热传输量子态来测量几何相位，这需要复杂的量子控制技术。在原子中，这种测量只能在极低的温度下进行。

现代固体极化理论为几何相的测量提供了新的思路。基于该理论，Wannier中心(能带的Wannier函数的预期位置)由几何相位确定。在静电场中，Wannier中心决定了Wannier-Stark阶梯的能量，从中可以提取几何相位。

在发表在《光：科学与应用》上的一篇新论文中，由浙江大学的王大伟和蔡韩领导的科学家团队开发了一种新技术来测量热原子的几何相。这项工作是在超辐射晶格中实现的，即原子集体激发态的动量空间晶格，即所谓的定时迪克态。作者总结了他们技术的本质如下。

“在动量空间晶格中，原子的运动在实空间晶格中扮演着电场的角色。在超辐射晶格的实空间布里渊区域中移动的原子遵循与通过动量空间布里渊的晶格电子相同的动力学直流电场中的区域，”科学家解释说。

“特别是，我们发现原子的速度与有效电场的强度成正比。在热原子中，我们通过整合不同速度原子的Wannier-Stark光谱来获得超辐射晶格的能谱。当两个梯子从不同的能带在一定速度下具有相同的能量，就会发生反交叉，其特点是能谱下降。

“通过测量这些下降的能量，我们设法重建了能带的几何相位。该技术应用于各种一维晶格，包括Semenoff绝缘体、Su-Schriefer-Heeger模型和广义Rice-梅勒模型。

“我们的实验展示了一种概念上新颖的技术，可以检测激光修饰原子的能带几何形状，并且可以推广到测量高维系统中的其他拓扑不变量。同时，它也为拓扑物理在环境光学器件中的应用铺平了道路温度，”科学家们说。

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