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重要進展。該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，為剖析復(fù)雜的量子多體現(xiàn)象提供了新的研究手段。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics） 上。

禁閉是一類非常有趣的物理現(xiàn)象。其中，夸克禁閉為人們熟知?？淇耸墙M成物質(zhì)的基本粒子?？淇酥g存在強相互作用，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)合粒子的形式被觀測到。即便在高能粒子碰撞機中，人們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)體系中觀測到準粒子成對出現(xiàn)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，使得準粒子受控地處在禁閉或解禁閉狀態(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)值求解面臨挑戰(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手段。2020年，中國科大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，研究了該理論的非平衡熱化過程。進一步，研究U(1)格點規(guī)范理論中的禁閉-解禁閉相變問題面臨兩個重要困難，即理論上缺乏產(chǎn)生有效外電場的可行方案，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)。

在實驗中，該研究巧妙地設(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)，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。

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，并有望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重要的應(yīng)用。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院和安徽省的支持。

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