中國(guó)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(shí)驗(yàn)研究中取得了重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到格點(diǎn)規(guī)范理論中的禁閉相與非禁閉相轉(zhuǎn)化的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)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(guó)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(qiáng)相互作用的存在，人們無(wú)法在自然界中觀測(cè)到單個(gè)的夸克，它們總是以多個(gè)捆綁在一起形成復(fù)合粒子的形式(如中子、質(zhì)子)被觀測(cè)到；即便是在高能粒子碰撞機(jī)中，人們也幾乎無(wú)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?cè)谀蹜B(tài)體系中觀測(cè)到了準(zhǔn)粒子成對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)量子調(diào)控手段可以改變準(zhǔn)粒子間的相互作用，從而使得準(zhǔn)粒子受控地處在禁閉或者解禁閉狀態(tài)。一個(gè)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(shí)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(méi)有解析方法求解，數(shù)值求解也面臨各種挑戰(zhàn)。
 

　　近年來(lái)，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為研究禁閉問(wèn)題提供了新的手段。2020年，中國(guó)科大的研究團(tuán)隊(duì)首次使用超冷原子光晶格量子模擬器建模了U(1)格點(diǎn)規(guī)范理論并驗(yàn)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(guò)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(jìn)一步研究U(1)格點(diǎn)規(guī)范理論中的禁閉-解禁閉相變問(wèn)題仍面臨兩個(gè)重要困難：在理論上缺乏產(chǎn)生有效外電場(chǎng)的可行方案，在實(shí)驗(yàn)上缺乏產(chǎn)生和測(cè)控準(zhǔn)粒子態(tài)的單格點(diǎn)原位調(diào)控技術(shù)。
 

　　在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)中的實(shí)驗(yàn)和理論合作者巧妙地設(shè)計(jì)了線性傾斜勢(shì)與超晶格勢(shì)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(dòng)態(tài)電場(chǎng)的U(1)量子鏈路模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了具備動(dòng)態(tài)外電場(chǎng)的量子電動(dòng)力學(xué)規(guī)范理論；同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具備單格點(diǎn)及粒子數(shù)分辨的量子氣體顯微鏡，原位產(chǎn)生并實(shí)時(shí)觀測(cè)了粒子與反粒子對(duì)的微觀動(dòng)力學(xué)，清晰展示了U(1)格點(diǎn)規(guī)范理論中禁閉相和非禁閉相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。
 

　　此項(xiàng)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(diǎn)規(guī)范理論、二維和三位格點(diǎn)規(guī)范模型的非平衡動(dòng)力學(xué)等計(jì)算復(fù)雜度超越經(jīng)典計(jì)算能力的物理問(wèn)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(lái)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(tuán)隊(duì)成員也受邀在國(guó)際原子物理大會(huì)ICAP2024和Gordon Research Conference上報(bào)告相關(guān)研究進(jìn)展。
 

　　中國(guó)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(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。