科研动态
He-McKellar-Wilkens 量子拓扑相位的直接证据

日期:2012-11-01 阅读:1176

9月21日美国顶尖物理杂志《物理通信快讯》(Physical Review Letter)发表法国J. Vigue教授研究小组论文[1]指出, 1993年由何小刚教授与墨尔本大学McKellar教授合作预言[2],然后1994年由德国Wilkens教授再独立预言的[3],由电偶极矩绕磁单极构成的长线条运行一周后而产生的独特量子拓扑相位(He-McKellar-Wilkens phase,HMW 相位),已由他们新近完成的实验中被观察到。如属实,一类新的自由粒子在电磁场中运动产生的量子拓扑相位被实验证实。这是对量子力学的又一次重要的验证。且将有许多的实际应用。

拓扑相位是指粒子波绕空间某区域运行一周后而产生的与粒子经过路径无关的相位。这类相位可由研究干涉现象的改变而被观察到。首先被发现的自由粒子在电磁场中运动产生的拓扑相位是1959年Aharonov和Bohm发现的量子力学预言的AB拓扑相位[4]。这一拓扑效应是由带电粒子在无磁场区域运动且围绕一有不为零的磁通区域一周后而产生的。经典力学中,在此物理条件下该粒子不受力,这样的运动不应有可观测效应。但是量子力学却会带来完全不同的结果,预言上述物理过程会产生一拓扑相位。这一相位很快被测量到[5]。AB相位已被广泛应用于各种量子物理系统。

1984年,Aharonov和Casher又发现了另一类量子拓扑相位[6]。当一带有磁偶极矩(沿z方向极化)的电中性粒子产生的波绕着沿z方向延伸的均匀带电长直线运行时粒子是不受力的,因而不会产生物理效应。但是量子力学再次预言在运行一周后将产生一不为零的拓扑相位,AC相位(如图所示)。这一相位很快被实验验证[7]。

1993年,He(何小刚)和McKellar在研究一带有电偶极矩(沿z方向极化)的电中性粒子产生的波绕着沿z方向延伸带着均匀磁单极分布的长直线运行时,发现量子力学也预言在运行一周后会产生不为零的拓扑相位(如图所示)。一年后Wilkens在研究类似系统时也发现这一现象。这一拓扑相位被称作HMW相位。

HMW相位的实验验证比AB和AC相位难多了。首要的困难是如何获得均匀分布的磁单极的长直线,因为磁单极的存在与否还是未知数。因此需要找到可实现相同效应的等效物理系统。另外还要带有电偶极矩的粒子。目前还没有实验发现基本粒子带有电偶极矩。即使基本粒子有电偶极矩,一定很小。理论原因是基本粒子如有电偶极矩,会破坏时间反演对称性,然而自然界时间反演对称性很高。但是复合粒子,比如原子,可由极化产生电偶极矩。人们尝试了许多可能,但19年过去却还是没能验证理论预言的HMW相位。Vigue的研究小组发表的论文[1]宣称用两束极化的锂-7(7Li),通过存在磁场和不同方向的电场区域,在他们的原子干涉仪系统实验中测量到了HMW相位。他们的测量值与理论值有31%的误差。这些误差可能是由还不清楚的系统误差引起。这一研究组正在进行不同的实验。如果进一步证实其正确性,HMW相位的存在可被相当确定。
 

在此我们非常高兴何小刚教授的研究成果成为验证量子力学拓扑相位的专题被广泛研究。

  1. S. Lepotre et. Al., Phys. Rev.Lett. 109, 120404(2012).
  2. Xiao-Gang He and Bruce McKellar, Phys. Rev. A47, 3424(1993).
  3. M. Wilkens, Phys. Rev. Lett. 72, 5(1994).
  4. Y. Aharonov and A. Bohm, Phys. Rev. 115, 485(1959).
  5. R. Chambers, Phys. Rev. Lett. 5, 3(1960).
  6. Y. Arharonov and A. Casher, Phys. Rev. Lett. 53, 319(1984).
  7. A. Cimmino et. al., Phys. Rev. Lett. 63, 380(1989).


AC和HMW相位示意图。A)AC相位的产生。从圆环左面交叉处注入两束带磁偶极矩的粒子束,通过中间由带均匀分布电荷qe长线产生的电场E的圆环路径。如果平行于长线,粒子束将不受力。但在右边交叉处测量的干涉效应在有和没有带电荷长线情况会不同。AC相位是引起这一不同效应的原因。B)改变粒子的磁偶极矩为电偶极矩d,同时改变长线所带电荷qe为磁单极荷qm,干涉效应在有和没有带磁荷长线情况会不同。HMW相位是引起相应不同干涉效应的原因。

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