首次观测到玻色-爱因斯坦凝聚体中的爱丽丝环

拓扑缺陷是一种在相变过程中出现的结构，它们反映了不同区域之间的相位不连续性。例如，当一个铁磁体从有序状态变为无序状态时，它会形成一些磁畴，每个磁畴内部的磁化方向都是一致的，但在不同磁畴之间可能有不同的取向。这样，在磁畴的边界处，就会出现一个磁壁，它是一种二维的拓扑缺陷。类似地，当一个超流体从正常状态变为超流状态时，它会形成一些涡旋，每个涡旋内部的相位都是围绕中心旋转的，但在不同涡旋之间可能有不同的相位差。这样，在涡旋的中心处，就会出现一个涡核，它是一种零维的拓扑缺陷。

拓扑缺陷有一个重要的特征，就是它们携带了一种叫做拓扑荷的量子数，这个量子数是由系统的对称性决定的，并且在连续变换下是不变的。例如，磁壁携带了一种叫做磁荷的拓扑荷，它表示了两边磁畴之间的磁化方向差异；涡旋携带了一种叫做涡量的拓扑荷，它表示了两边涡旋之间的相位差异。拓扑荷可以用来刻画拓扑缺陷的类型和数量，并且在系统演化过程中是守恒的。

那么什么是爱丽丝环呢？爱丽丝环是一种特殊的涡旋环，在它内部有一个不同于外部的相位。这个相位可以看作是一个单极子，也就是一个只有一个极性的磁源。单极子是一种非常稀有和神秘的物理对象，在自然界中还没有被发现过。但在某些理论模型中，单极子可以作为基本粒子存在，并且可以和其他粒子相互作用。其中最有趣的一种相互作用就是爱丽丝效应，它指的是当一个单极子穿过一个爱丽丝环时，它会变成一个反单极子，也就是一个和原来相反极性的磁源。这就好像爱丽丝穿过了镜子一样，她变成了镜中爱丽丝。

爱丽丝环在某些统一场论中被预言存在，并且被认为和宇宙早期相变有关。但在实验上观察到爱丽丝环是非常困难的，因为单极子在连续场中是很少见的。然而，在一篇论文中，作者利用了一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚体的系统，成功地创造和观察了爱丽丝环。

玻色-爱因斯坦凝聚体是一种由玻色子组成的超低温气体，它们在一个陷阱中被冷却到接近绝对零度，从而形成了一种新的量子态，其中所有的原子都处于同一个波函数中，并且表现出宏观的量子行为。玻色-爱因斯坦凝聚体可以看作是一个巨大的原子，它有着很多内部自由度，比如自旋。

自旋是原子的一种内禀角动量，它可以取不同的值，比如0, 1, 2等。不同的自旋对应着不同的磁性，比如自旋为0的原子是非磁性的，自旋为1的原子是弱磁性的，自旋为2的原子是强磁性的。在这篇论文中，作者使用了一种自旋为1的玻色-爱因斯坦凝聚体，它由87Rb原子组成，并且可以存在两种不同的磁相：极相和铁相。在极相中，所有的原子都指向同一个方向，并且没有总磁矩；在铁相中，所有的原子都指向垂直于外部磁场的方向，并且有总磁矩。

作者通过调节外部磁场和陷阱势能，在玻色-爱因斯坦凝聚体中制备了一个拓扑单极子缺陷。这个单极子缺陷是由一个零点构成的，它是一个三维磁场在空间中消失的位置。在这个位置附近，玻色-爱因斯坦凝聚体从极相变为铁相，并且形成了一个球形区域，其中所有的原子都指向外部磁场。这个球形区域就是单极子缺陷的核心，它有着一个确定的拓扑荷，表示了极相和铁相之间的相位差异。

然而，这个单极子缺陷并不稳定，它会随着时间演化而衰变。衰变的过程是这样的：首先，单极子缺陷会沿着外部磁场方向移动，并且逐渐变得不对称；然后，在单极子缺陷核心上方或下方会出现一个涡旋环，它是由一个空洞构成的，并且围绕着核心旋转；最后，涡旋环会脱离核心，并且形成一个完整的爱丽丝环。这个爱丽丝环就是由涡旋环和核心共同构成的，它内部有着和外部不同的相位，并且具有爱丽丝效应。

作者通过使用一种叫做拉曼光谱的技术来观察和测量爱丽丝环。拉曼光谱是一种利用激光光束来激发和探测玻色-爱因斯坦凝聚体中原子的自旋状态的技术。通过调节激光的频率和强度，可以选择性地操纵和测量不同自旋分量的原子，并且得到它们的空间分布。作者使用了两个正交的激光光束，分别沿着x轴和y轴方向照射玻色-爱因斯坦凝聚体，并且通过一个相机来记录它们的反射和透射信号。这样，就可以得到玻色-爱因斯坦凝聚体在x-y平面上的自旋密度图像，并且可以观察到爱丽丝环的形状和位置。

作者发现，爱丽丝环在玻色-爱因斯坦凝聚体中是稳定存在的，并且可以持续几秒钟。他们还发现，爱丽丝环的大小和形状可以通过改变外部磁场和陷阱势能来调节，并且可以达到几百微米的尺度。他们还验证了爱丽丝效应的存在，通过让一个人工单极子穿过爱丽丝环，并且观察到它的极性发生了反转。这个人工单极子是由一个微小的磁铁构成的，它被固定在一个光纤的末端，并且可以在玻色-爱因斯坦凝聚体中移动。