量子气体模拟磁单极子

Dirac预言磁单极子的存在，但是在现实世界中还没有发现磁单极子。但是在某些情况下，可以产生等效的磁单极子。最近Nature上刊登了一篇文章（Nature505 657 （2014）），就是研究等效规范势，模拟磁单极子的。利用量子气体研究等效规范场是很热门的研究，但一般用Raman激光作用于BEC或者FDG上，产生等效规范势。很高兴，这篇文章不用Raman激光也做到研究等效规范势。

理论上其实比较早就清楚了。原子在磁阱中运动，绝热近似下，原子磁矩在每一点都跟随当地的磁场方向。但是磁矩中的磁场方向是随空间改变的。原子运动过程中，就会产生一个Berry相位。这个Berry相位就可以等效为一个规范势。只是一般来说，磁阱中这个效应很小。因此人们才提出用Raman激光来产生等效规范势，激光产生的等效规范势可以大很多。

上图是实验示意图。e是磁场产生的线圈。中间anti-Helmholtz线圈产生四极阱，BZ产生Z方向的偏振磁阱。BX，BY产生X，Y方向的偏置磁场，用来调整磁场中心位置。等效磁单极子产生的过程就是移动磁场零点位置从上到下。如图a，b，c所示。

下图是实验结果图。磁阱零点原子在BEC的上方，然后z方向的偏置磁场从10mG以250mG/s的速度减少。下图是Bz变化到不同值，磁场零点在不同位置时的原子自旋分量。左图是侧面拍照。磁场零点经过原子团后，原子磁阱指向改变了。右图是从上面拍照。可以看到m=-1态上产生一个暗线。

文中将实验结果和理论计算进行比较，如下图，可以看出，理论和实验符合的还是非常好的。从实验过程来看，实验还是比较简单的。实验中一个挑战就是磁场的控制。实验中的磁场量级是mG，而地磁场远远比这个大，因此需要很好的偏置磁场来抵消。他们用了Majorana跃迁的方法来测量这个效应。另外磁场的大小需要非常精确的控制，小于mG量级。