超冷原子，顾名思义，指的是那些被冷却到略高于绝对零度的温度的原子，在物理研究中，它们可以作为一种量子模拟的领先平台。实验人员通过激光束和磁场来控制这些原子，并诱导它们“表演”出编排好的“量子舞蹈”。在它们完成表演之后，或者表演进行的同时，高分辨率成像技术能直接窥视它们的量子性质，从而提取到必要的信息。
现在，在两篇先后于近期发表在《物理评论快报》的研究中，一组研究人员报告了他们如何引导超冷原子跳起了新的舞蹈，为越来越丰富的量子模拟工具包增添了新的内容。在第一篇研究中，他们将原子“掰弯”，让它们的自旋在空间和时间上卷绕，然后让它们打成结，形成一种时空的量子“椒盐卷饼”。研究人员对这种弯曲的时空形状进行了绘制。
在后续的实验研究中，他们观察了原子在不同的卷绕形状之间的跃迁，发现了一种静止的简单原子所不能无法达成的丰富结构。
这项研究中探索的卷绕，与数学领域的拓扑学有关，也就是根据对象的孔的数量对它们进行分类。这种看似简单的形状分类，在物理学上却有着惊人的影响力，它可以解释许多事物，比如量子霍尔效应和拓扑绝缘体等。但在物理学研究中，无论是固体金属块，还是超冷原子，物理学家关心的拓扑其实都与实际材料的形状无关，而是在意在材料中传播的量子波的形状。
在他们的卷绕实验中，研究人员设计了一个二维晶体，但它有别于我们所熟知的一张纸那样的二维。其中一个维度是空间，就像沿着一根细线延伸的方向，而另一个维度则是时间。在这张由空间和时间组成的“纸”上，原子的自旋画出了一种奇怪的形状，它是原子在时空晶体中速度的函数。
这些结果揭示了新的奥秘，这也是研究人员渴望能进一步调查的方向。他们希望，未来，实验方法将能变得更为稳健，同时也希望了解，在更多种类的拓扑态之间快速切换时会发生什么。