在现代物理学中，规范场理论为理解诸如基本粒子相互作用、强关联物态等能量尺度大相径庭的物理现象，提供了普适视角。而在冷原子、光子和超导量子比特等量子模拟器上实现人工规范场，可以更好地理解规范场的相关物理效应，甚或构造探索新式规范场。浙江大学、中国科学技术大学与四川大学联合团队在超冷原子量子模拟平台中，实现了高度可调的人工SU(2)规范场，并对规范场作用下的动力学效应进行了观测和分析。相关研究论文以题为《Chiral dynamics of ultracold atoms under a tunable SU(2) synthetic gauge field》于9月20日在线发表于《Nature Physics》杂志。

图1 实验方案

对阿贝尔规范场来说，带电粒子沿闭合回路运动时会积累一个几何相位；而当粒子处于一个SU(2)规范场时，情况变得不同。 研究发现，原子沿顺时针或逆时针路径运动一圈后，其自旋态会发生翻转，且最终原子的末态取决于路径方向和初态。进一步，研究人员将玻色-爱因斯坦凝聚体制备在梯子晶格两条边的叠加态，可以观察到粒子在模型的两条链上的定向传播。而通过调节SU(2)规范场的参数，可以观察到更为复杂的手性动力学行为。系统总的手性由两套叠加的通量梯子相互竞争的结果决定，当合成SU(2)规范场的参数改变时，占主导的模式也随之变化。

图2 手性动力学

Nature Physics在同期配发了这项研究的要点，编辑部评论说：“近年来，构建合成规范场是量子模拟领域最令人兴奋的发展之一。此项研究标志着我们对非阿贝尔势影响的更深入理解：超越了几何和拓扑的影响，探索了复杂的手性动力学，并为未来研究规范场与强关联多体物理的相互作用奠定了基础。”

本文共同第一作者是浙江大学博士生梁茜、董兆立和四川大学潘建松研究员。浙江大学颜波研究员和杨兆举研究员，中国科学技术大学易为教授为论文共同通讯作者。该项研究受到科技部重点研发计划，国家自然科学基金，浙江省自然科学基金，中央高校基础研究基金和四川大学科学专项计划等基金支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02644-4