量子規(guī)范理論是現(xiàn)代物理學的核心框架之一，廣泛應用于描述粒子相互作用和物質(zhì)的基本規(guī)律。特別是在凝聚態(tài)物理和高能物理中，拓撲θ角作為一種重要的拓撲項，受到廣泛關注。它在量子色動力學（QCD）中引發(fā)了強CP問題，并且能夠在拓撲絕緣體的有效電動力學理論中出現(xiàn)，進而影響電子、光子等粒子的行為。盡管類比量子模擬器被認為是實現(xiàn)和控制拓撲θ角的潛在工具，但由于其極高的復雜性和精度要求，如何在實驗中準確調(diào)節(jié)θ角仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，中國科學技術大學潘建偉院士團隊、合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室苑震生教授課題組以及慕尼黑大學Jad C. Halimeh攜手在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle”的最新論文。科學家們提出通過量子模擬器實現(xiàn)可調(diào)拓撲θ角度的實驗方案。最近的研究突破了這一難題，提出通過傾斜的超晶格勢能來引入有效的背景電場，進而在玻色–哈伯德模型的量子模擬器中實現(xiàn)了這一目標。實驗通過原子精度的量子氣體顯微鏡，直接觀察了（1+1）維量子電動力學中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。研究人員監(jiān)測了粒子–反粒子對的實時演化，成功區(qū)分了限制相與解耦相。這一實驗結果為實現(xiàn)拓撲θ項提供了重要的實驗支持，展示了量子模擬器在研究高能物理和凝聚態(tài)物理中拓撲效應的巨大潛力。
研究亮點
- 實驗首次實現(xiàn)了可調(diào)拓撲θ角度的玻色–哈伯德規(guī)范理論量子模擬器，并通過傾斜的超晶格勢能誘導了有效的背景電場。這是首次在量子模擬器中成功實現(xiàn)可調(diào)拓撲θ角度，并利用該角度研究量子電動力學的限制–解耦轉(zhuǎn)變。
- 實驗通過原子精度量子氣體顯微鏡，直接觀察了（1+1）維量子電動力學中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。通過監(jiān)測粒子–反粒子對的實時演化，實驗區(qū)分了限制相和解耦相，并通過這一現(xiàn)象驗證了θ角度的影響，成功展示了拓撲項在量子模擬器中的物理效果。
- 實驗結果表明，θ角度的變化與粒子–反粒子對的傳播特性密切相關。當θ角度接近π時，粒子對表現(xiàn)出受限的傳播特性，而當θ角度偏離π時，粒子對的傳播變得彈道化。這為研究（1+1）維量子電動力學的相變提供了新的實驗證據(jù)。
圖文解讀
圖1: U(1) 量子鏈路模型quantum link model，QLM的實驗實現(xiàn)及其相圖。圖2: 密度和兩點關聯(lián)，沿可調(diào)拓撲θ角的演化，取決于與0的偏差χ指定。
總結展望
本文通過監(jiān)測帶有可調(diào)拓撲θ角度的粒子–反粒子對的微觀動力學，直接觀察了U(1)量子鏈規(guī)范理論中的限制–解耦轉(zhuǎn)變。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，在未調(diào)節(jié)拓撲θ角度的情況下，系統(tǒng)仍然存在限制相。在這種情況下，較大的負質(zhì)量和高斯定律導致了真空–真空對激發(fā)的受限動力學。這些發(fā)現(xiàn)基于作者的量子模擬器，該模擬器結合了位點解析的量子氣體顯微鏡與模式可編程的光學超晶格，具有生成任意初始態(tài)和靈活調(diào)整陷阱勢能及時間–空間–粒子數(shù)解析檢測的多種能力。作者的實驗觀察與數(shù)值基準結果一致，定量地驗證了量子模擬器的有效性，并表明該模擬器可以作為未來探索規(guī)范理論豐富物理現(xiàn)象的強大平臺，例如弦斷裂、虛真空衰變和量子熱化。此外，作者還可以探索可調(diào)拓撲θ角度在凝聚態(tài)現(xiàn)象中的應用，如動態(tài)量子相變、無失序定域以及其他違反遍歷性的現(xiàn)象。通過進一步優(yōu)化陷阱勢能以減輕不均勻效應，作者可以將量子模擬器的規(guī)模擴展若干倍，從而在經(jīng)典模擬中實現(xiàn)量子計算優(yōu)勢。此外，作者當前實施量子鏈模型（QLMs）的方案還可以擴展到更高自旋截斷和更高空間維度，進而觀察到更豐富的奇異規(guī)范理論物理現(xiàn)象。Zhang, WY., Liu, Y., Cheng, Y. et al. Observation of microscopic confinement dynamics by a tunable topological θ-angle. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02702-x
