中國科學技術大學潘建偉、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范理論中的禁閉相與非禁閉相轉化的微觀動力學過程，為理解這一復雜的量子多體現象提供了新的研究手段。相關成果近日發表在國際知名學術期刊《 自然·物理學 》(Nature Physics) 上。
 

　　禁閉(confinement)是一類非常有趣的物理現象，其中夸克禁閉為人們所熟知——雖然夸克是組成物質的基本粒子，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合粒子的形式(如中子、質子)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合粒子。類似地，人們在凝聚態體系中觀測到了準粒子成對出現的現象，通過量子調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。一個物理體系中是否存在禁閉現象以及能否人為調控粒子間相互作用實現禁閉到解禁閉狀態之間的轉換，牽涉復雜的量子多體效應，理論上一般沒有解析方法求解，數值求解也面臨各種挑戰。
 

　　近年來，超冷原子量子模擬器的出現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)格點規范理論并驗證了相應的局域規范守恒特性[Nature 587, 392 (2020)]，其后系統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，進一步研究U(1)格點規范理論中的禁閉-解禁閉相變問題仍面臨兩個重要困難：在理論上缺乏產生有效外電場的可行方案，在實驗上缺乏產生和測控準粒子態的單格點原位調控技術。
 

　　在此項實驗中，研究團隊中的實驗和理論合作者巧妙地設計了線性傾斜勢與超晶格勢阱結合的方案，在該條件下將玻色-哈伯德模型映射為具有動態電場的U(1)量子鏈路模型，實驗模擬了具備動態外電場的量子電動力學規范理論；同時，研究團隊開發了具備單格點及粒子數分辨的量子氣體顯微鏡，原位產生并實時觀測了粒子與反粒子對的微觀動力學，清晰展示了U(1)格點規范理論中禁閉相和非禁閉相的轉變過程。
 

　　此項研究表明，超冷原子量子模擬方法為探索規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范理論、二維和三位格點規范模型的非平衡動力學等計算復雜度超越經典計算能力的物理問題中獲得更為重要的應用。該論文自去年在arXiv預印本網站公布以來即受到相關領域學者的廣泛關注，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上報告相關研究進展。
 

　　中國科學技術大學博士后章維勇、博士研究生劉穎和北京科技大學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基金委、科技部、中國科學院和安徽省的資助。