量子規(guī)范理論通常被物理學(xué)家用來(lái)描述亞原子粒子、相關(guān)波場(chǎng)以及之間相互作用的數(shù)學(xué)構(gòu)造。這些理論概述的動(dòng)力學(xué)難以計(jì)算，但在實(shí)驗(yàn)室中有效地模擬它們可能會(huì)促使有價(jià)值的新見(jiàn)解和發(fā)現(xiàn)。

在新的一項(xiàng)研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子研究所的一組研究人員，成功地在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了模擬量子規(guī)范理論的基本部分。通過(guò)在高度受控的環(huán)境中模擬量子系統(tǒng)，收集有趣的觀察結(jié)果，并拓寬對(duì)多體系統(tǒng)（即具有許多相互作用粒子的系統(tǒng)）的理解。

開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一蒂爾曼·埃斯林格(Tilman Esslinger)表示：通常，研究受到固體物理現(xiàn)象的啟發(fā)，比如復(fù)雜材料中電子的強(qiáng)相關(guān)相位。然而，在目前的研究中，研究人員希望擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的范圍（即光學(xué)晶格中的超冷原子），以便研究高能和凝聚態(tài)物理中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。目的是證明在裝置中設(shè)計(jì)規(guī)范場(chǎng)是可能的，這些規(guī)范場(chǎng)是動(dòng)態(tài)量子自由度，因?yàn)樗鼈兣c物質(zhì)場(chǎng)耦合。規(guī)范場(chǎng)是幾種量子場(chǎng)論的重要組成部分，包括量子電動(dòng)力學(xué)和色動(dòng)力學(xué)。

這些理論描述了物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域中的一大類(lèi)現(xiàn)象，如基本粒子物理、凝聚態(tài)物理和量子信息論。因此，在冷原子設(shè)置中實(shí)施規(guī)范場(chǎng)將能讓研究人員在實(shí)驗(yàn)室中研究其中的一些現(xiàn)象。在研究中使用的方法是基于一種稱為Floquet工程的技術(shù)。這種方法用于隨著時(shí)間的推移周期性地調(diào)制量子系統(tǒng)，使得能夠在實(shí)驗(yàn)期間實(shí)現(xiàn)在靜態(tài)系統(tǒng)中無(wú)法訪問(wèn)的新物理模型。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將鐵離子鉀原子冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度。在這種情況下，量子效應(yīng)支配著粒子的行為。

這使得研究人員能夠在高度可控的環(huán)境中研究這些效應(yīng)。隨后，將冷卻的原子加載到由激光組成的人造晶體中，從而模擬特定的行為，例如，固態(tài)材料中電子的行為。為了設(shè)計(jì)密度依賴的Peierls相位，研究人員使用了Floquet方法，并沿著一個(gè)方向搖動(dòng)光學(xué)晶格，這將能夠控制晶格相鄰位點(diǎn)之間原子的量子力學(xué)隧穿過(guò)程。通過(guò)使用相對(duì)相位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在兩個(gè)不同的頻率上，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)包含Peierls相位的復(fù)值隧道。結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中使用的原子開(kāi)始表現(xiàn)得就像暴露在一個(gè)合成規(guī)范場(chǎng)中一樣。

由于振動(dòng)頻率被選擇為與粒子之間的相互作用共振，因此Peierls相位以及相關(guān)規(guī)范場(chǎng)取決于晶格中的原子配置。這就導(dǎo)致了物質(zhì)和規(guī)范場(chǎng)之間的反作用力機(jī)制：由于規(guī)范場(chǎng)的存在，原子將開(kāi)始移動(dòng)，這反過(guò)來(lái)又會(huì)改變規(guī)范場(chǎng)本身。在研究中，研究人員在晶格的單個(gè)環(huán)節(jié)上開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量方案。使用這種方案，測(cè)量了原子在第二個(gè)原子上隧穿時(shí)“拾取”的Peierls相位，并將其與在空位上跳躍時(shí)拾取的相位進(jìn)行比較。研究人員觀察到，這兩個(gè)階段之間存在顯著差異，這表明與這些Peierls相關(guān)聯(lián)的規(guī)范場(chǎng)依賴于晶格點(diǎn)的占據(jù)。

這樣一個(gè)由耦合到動(dòng)態(tài)規(guī)范場(chǎng)的原子組成強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，很難用經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的數(shù)值模擬來(lái)處理，本研究是朝著晶格規(guī)范理論的實(shí)驗(yàn)量子模擬邁出第一步，這可以為凝聚態(tài)物質(zhì)和高能物理中難以理解的現(xiàn)象提供新線索。進(jìn)行的研究引入了一種新通用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)和模擬不同類(lèi)別的密度相關(guān)規(guī)范場(chǎng)。提出的技術(shù)可以為令人興奮的新物理觀察和理論鋪平道路。在未來(lái)的研究中，研究人員計(jì)劃用它來(lái)研究在擴(kuò)展光學(xué)晶格中實(shí)現(xiàn)多體系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)規(guī)范場(chǎng)和原子之間的相互作用。

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參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0615-4

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