【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等與合作者在超冷原子量子模擬實驗研究中取得了重要進展，研究團隊首次觀測到格點規(guī)范理論中的禁閉相與非禁閉相轉(zhuǎn)化的微觀動力學(xué)過程，為理解這一復(fù)雜的量子多體現(xiàn)象提供了新的研究手段。相關(guān)成果近日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《 自然·物理學(xué) 》(Nature Physics) 上。
禁閉(confinement)是一類非常有趣的物理現(xiàn)象，其中夸克禁閉為人們所熟知——雖然夸克是組成物質(zhì)的基本粒子，但是由于夸克之間強相互作用的存在，人們無法在自然界中觀測到單個的夸克，它們總是以多個捆綁在一起形成復(fù)合粒子的形式(如中子、質(zhì)子)被觀測到；即便是在高能粒子碰撞機中，人們也幾乎無法改變夸克之間的相互作用，粒子碰撞碎片中的夸克瞬間就形成了新的復(fù)合粒子。類似地，人們在凝聚態(tài)體系中觀測到了準粒子成對出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過量子調(diào)控手段可以改變準粒子間的相互作用，從而使得準粒子受控地處在禁閉或者解禁閉狀態(tài)。一個物理體系中是否存在禁閉現(xiàn)象以及能否人為調(diào)控粒子間相互作用實現(xiàn)禁閉到解禁閉狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，牽涉復(fù)雜的量子多體效應(yīng)，理論上一般沒有解析方法求解，數(shù)值求解也面臨各種挑戰(zhàn)。
近年來，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為研究禁閉問題提供了新的手段。2020年，中國科大的研究團隊首次使用超冷原子光晶格量子模擬器建模了U(1)格點規(guī)范理論并驗證了相應(yīng)的局域規(guī)范守恒特性[Nature 587, 392 (2020)]，其后系統(tǒng)地研究了該理論的非平衡熱化過程[Science 377, 311 (2022)；Phys.Rev. Res. 5, 023010(2023)；Phys. Rev. Lett. 131, 050401 (2023)]。基于以上基礎(chǔ)，進一步研究U(1)格點規(guī)范理論中的禁閉-解禁閉相變問題仍面臨兩個重要困難：在理論上缺乏產(chǎn)生有效外電場的可行方案，在實驗上缺乏產(chǎn)生和測控準粒子態(tài)的單格點原位調(diào)控技術(shù)。
在此項實驗中，研究團隊中的實驗和理論合作者巧妙地設(shè)計了線性傾斜勢與超晶格勢阱結(jié)合的方案，在該條件下將玻色-哈伯德模型映射為具有動態(tài)電場的U(1)量子鏈路模型，實驗?zāi)M了具備動態(tài)外電場的量子電動力學(xué)規(guī)范理論；同時，研究團隊開發(fā)了具備單格點及粒子數(shù)分辨的量子氣體顯微鏡，原位產(chǎn)生并實時觀測了粒子與反粒子對的微觀動力學(xué)，清晰展示了U(1)格點規(guī)范理論中禁閉相和非禁閉相的轉(zhuǎn)變過程。
此項研究表明，超冷原子量子模擬方法為探索規(guī)范理論中的量子相變提供了全新視角，并將在研究非阿貝爾格點規(guī)范理論、二維和三位格點規(guī)范模型的非平衡動力學(xué)等計算復(fù)雜度超越經(jīng)典計算能力的物理問題中獲得更為重要的應(yīng)用。該論文自去年在arXiv預(yù)印本網(wǎng)站公布以來即受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，目前已被引用40余次，研究團隊成員也受邀在國際原子物理大會ICAP2024和Gordon Research Conference上報告相關(guān)研究進展。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后章維勇、博士研究生劉穎和北京科技大學(xué)講師程艷婷博士為論文的共同第一作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
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