京都大学研究生院理学研究科的高桥义朗教授、田家慎太郎助教、高须洋介副教授、津野琢士硕士生（研究当时）等人组成的研究团队，与日本东北大学WPI-AIMR的小泽知己教授共同利用极低温的铷原子进行实验，在世界上首次成功实现了拓扑原子激光振荡。高须副教授表示：“我们成功在人工维度中创造出了理论上存在、但现实中无法实现的状态。这为量子模拟开辟了新的可能。”相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 光激光与原子激光的对比：（左）一般的激光振荡原理：从外部给予能量（增益），光被放大；（右）本次实验的概念图：在人工维度（自旋空间）的晶格上，巧妙利用蒸发冷却产生有效增益，原子凝聚在边缘（Edge）状态，实现“原子激光”行为。（供图：京都大学）
在量子力学的世界里，与外部环境有能量出入的系统被称为非厄米量子系统。特别是通过控制放大信号的“增益”（Gain）和信号衰减的“损耗”（Loss）而出现的特异现象，在激光和光通信等光子学（光学）领域一直是热门研究课题。
在处理原子等物质粒子的冷原子气体领域，非厄米量子力学的研究也在推进之中。然而，在原子的实验中，虽然引入将原子从系统中移除的“损耗”很容易，但像光那样从外部泵浦并施加“增益”（放大）在技术上极其困难。因此，迄今为止使用原子的实验仅限于处理“仅有损耗”的情况，观测像激光振荡那样“增益”发挥本质作用的现象一直是一个重大课题。
研究团队使用了一种名为人工维度（Synthetic Dimensions）的方法，不使用实际的空间（三维），而是将原子拥有的自旋（内部状态）这一自由度视为空间的坐标。
具体而言，通过向铷原子的多个自旋状态照射微波，使其结合以便在状态间来回移动，从而创造出了虚拟的一维晶格（链）。此时，通过精密调节微波的强度和相位，实现了被称为SSH（Su-Schrieffer-Heeger）模型的、具有拓扑性质（边缘出现特异状态的性质）的人工晶体。
这种研究的最大突破在于，以全新的构想利用了冷原子实验中标准使用的蒸发冷却这一手法。通常的蒸发冷却将能量高的原子排出系统外，使剩余的原子冷却、凝聚到能量最低的状态（基态）。而此次，研究团队巧妙地设计了初始状态的原子分布和蒸发条件。结果，在从热原子团中移除高能量原子的过程中，成功实现了拓扑边缘态（Edge状态）的处于高能量状态的原子的比例相对增加。这对于关注的边缘态来说，物理上等价于注入了原子（有增益），使其作为“有效增益”发挥了作用。
结果观测到了在通常不稳定、原子无法停留的高能量拓扑边缘态中，原子如雪崩般聚集，产生了玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。这是与激光振荡器中特定模式的光被放大成为激光光线相同的现象，可以说实现了基于原子波（物质波）的拓扑原子激光。此外，还确认了该凝聚体保持着拓扑性质（对结构缺陷和扰动的鲁棒性）。
通过本次研究，开辟了在冷原子系统中自由控制长年以来的壁垒、即“增益”的道路。由此，可以将光学领域积累的非厄米量子力学知识正式引入物质波原子世界。小泽教授表示：“我们建立了一个可以从量子角度研究非厄米系统的实验系统。作为理论研究者，我也觉得非常有趣。”
本次实现的拓扑原子激光具有边缘态特有的“强抗扰动”性质。未来有望利用这一性质，应用于鲁棒性和灵敏度皆高的原子干涉仪、重力传感器、指向性高的原子束源等下一代量子技术中。
高桥教授表示：“本次的实验系统是一维的，如果能扩展到二维，就能移动拓扑边缘态的边缘。期待今后获得进一步进展。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Gain engineering and atom lasing in a topological edge state in synthetic dimensions
DOI：doi.org/10.1038/s41467-025-67106-8
