拓?fù)淙毕菔且环N在相變過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，它們反映了不同區(qū)域之間的相位不連續(xù)性。例如，當(dāng)一個鐵磁體從有序狀態(tài)變?yōu)闊o序狀態(tài)時，它會形成一些磁疇，每個磁疇內(nèi)部的磁化方向都是一致的，但在不同磁疇之間可能有不同的取向。這樣，在磁疇的邊界處，就會出現(xiàn)一個磁壁，它是一種二維的拓?fù)淙毕荨ｎ愃频兀?dāng)一個超流體從正常狀態(tài)變?yōu)槌鳡顟B(tài)時，它會形成一些渦旋，每個渦旋內(nèi)部的相位都是圍繞中心旋轉(zhuǎn)的，但在不同渦旋之間可能有不同的相位差。這樣，在渦旋的中心處，就會出現(xiàn)一個渦核，它是一種零維的拓?fù)淙毕荨?/p>

拓?fù)淙毕萦幸粋€重要的特征，就是它們攜帶了一種叫做拓?fù)浜傻牧孔訑?shù)，這個量子數(shù)是由系統(tǒng)的對稱性決定的，并且在連續(xù)變換下是不變的。例如，磁壁攜帶了一種叫做磁荷的拓?fù)浜桑硎玖藘蛇叴女犞g的磁化方向差異；渦旋攜帶了一種叫做渦量的拓?fù)浜桑硎玖藘蛇厹u旋之間的相位差異。拓?fù)浜煽梢杂脕砜坍嬐負(fù)淙毕莸念愋秃蛿?shù)量，并且在系統(tǒng)演化過程中是守恒的。

那么什么是愛麗絲環(huán)呢？愛麗絲環(huán)是一種特殊的渦旋環(huán)，在它內(nèi)部有一個不同于外部的相位。這個相位可以看作是一個單極子，也就是一個只有一個極性的磁源。單極子是一種非常稀有和神秘的物理對象，在自然界中還沒有被發(fā)現(xiàn)過。但在某些理論模型中，單極子可以作為基本粒子存在，并且可以和其他粒子相互作用。其中最有趣的一種相互作用就是愛麗絲效應(yīng)，它指的是當(dāng)一個單極子穿過一個愛麗絲環(huán)時，它會變成一個反單極子，也就是一個和原來相反極性的磁源。這就好像愛麗絲穿過了鏡子一樣，她變成了鏡中愛麗絲。

愛麗絲環(huán)在某些統(tǒng)一場論中被預(yù)言存在，并且被認(rèn)為和宇宙早期相變有關(guān)。但在實驗上觀察到愛麗絲環(huán)是非常困難的，因為單極子在連續(xù)場中是很少見的。然而，在一篇論文中，作者利用了一種叫做玻色-愛因斯坦凝聚體的系統(tǒng)，成功地創(chuàng)造和觀察了愛麗絲環(huán)。

玻色-愛因斯坦凝聚體是一種由玻色子組成的超低溫氣體，它們在一個陷阱中被冷卻到接近絕對零度，從而形成了一種新的量子態(tài)，其中所有的原子都處于同一個波函數(shù)中，并且表現(xiàn)出宏觀的量子行為。玻色-愛因斯坦凝聚體可以看作是一個巨大的原子，它有著很多內(nèi)部自由度，比如自旋。

自旋是原子的一種內(nèi)稟角動量，它可以取不同的值，比如0, 1, 2等。不同的自旋對應(yīng)著不同的磁性，比如自旋為0的原子是非磁性的，自旋為1的原子是弱磁性的，自旋為2的原子是強磁性的。在這篇論文中，作者使用了一種自旋為1的玻色-愛因斯坦凝聚體，它由87Rb原子組成，并且可以存在兩種不同的磁相：極相和鐵相。在極相中，所有的原子都指向同一個方向，并且沒有總磁矩；在鐵相中，所有的原子都指向垂直于外部磁場的方向，并且有總磁矩。

作者通過調(diào)節(jié)外部磁場和陷阱勢能，在玻色-愛因斯坦凝聚體中制備了一個拓?fù)鋯螛O子缺陷。這個單極子缺陷是由一個零點構(gòu)成的，它是一個三維磁場在空間中消失的位置。在這個位置附近，玻色-愛因斯坦凝聚體從極相變?yōu)殍F相，并且形成了一個球形區(qū)域，其中所有的原子都指向外部磁場。這個球形區(qū)域就是單極子缺陷的核心，它有著一個確定的拓?fù)浜桑硎玖藰O相和鐵相之間的相位差異。

然而，這個單極子缺陷并不穩(wěn)定，它會隨著時間演化而衰變。衰變的過程是這樣的：首先，單極子缺陷會沿著外部磁場方向移動，并且逐漸變得不對稱；然后，在單極子缺陷核心上方或下方會出現(xiàn)一個渦旋環(huán)，它是由一個空洞構(gòu)成的，并且圍繞著核心旋轉(zhuǎn)；最后，渦旋環(huán)會脫離核心，并且形成一個完整的愛麗絲環(huán)。這個愛麗絲環(huán)就是由渦旋環(huán)和核心共同構(gòu)成的，它內(nèi)部有著和外部不同的相位，并且具有愛麗絲效應(yīng)。

作者通過使用一種叫做拉曼光譜的技術(shù)來觀察和測量愛麗絲環(huán)。拉曼光譜是一種利用激光光束來激發(fā)和探測玻色-愛因斯坦凝聚體中原子的自旋狀態(tài)的技術(shù)。通過調(diào)節(jié)激光的頻率和強度，可以選擇性地操縱和測量不同自旋分量的原子，并且得到它們的空間分布。作者使用了兩個正交的激光光束，分別沿著x軸和y軸方向照射玻色-愛因斯坦凝聚體，并且通過一個相機來記錄它們的反射和透射信號。這樣，就可以得到玻色-愛因斯坦凝聚體在x-y平面上的自旋密度圖像，并且可以觀察到愛麗絲環(huán)的形狀和位置。

作者發(fā)現(xiàn)，愛麗絲環(huán)在玻色-愛因斯坦凝聚體中是穩(wěn)定存在的，并且可以持續(xù)幾秒鐘。他們還發(fā)現(xiàn)，愛麗絲環(huán)的大小和形狀可以通過改變外部磁場和陷阱勢能來調(diào)節(jié)，并且可以達(dá)到幾百微米的尺度。他們還驗證了愛麗絲效應(yīng)的存在，通過讓一個人工單極子穿過愛麗絲環(huán)，并且觀察到它的極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)。這個人工單極子是由一個微小的磁鐵構(gòu)成的，它被固定在一個光纖的末端，并且可以在玻色-愛因斯坦凝聚體中移動。