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研究背景

量子物理中，粒子的交換統(tǒng)計通常被分為兩類：玻色子和費米子。玻色子在交換位置時波函數(shù)不發(fā)生變化，而費米子在交換位置時會引入一個π相位。玻色子傾向于占據(jù)相同的量子態(tài)，這一特性在玻色-愛因斯坦凝聚體和激光中得到了廣泛應(yīng)用，而費米子則遵循泡利不相容原理，通常表現(xiàn)為粒子占據(jù)不同的量子態(tài)。隨著維度的降低，尤其在二維空間中，粒子交換路徑的拓?fù)涮匦宰兊酶訌?fù)雜，允許交換相位介于玻色子和費米子之間，從而產(chǎn)生了“任意子”（anyon）這一新型粒子。任意子具有非常規(guī)的交換統(tǒng)計，能夠在交換過程中獲得任何相位θ，從而在量子計算和拓?fù)湮飸B(tài)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力。然而，關(guān)于一維任意子的研究相對較少，盡管已有部分理論提出其可能的存在，并在不同的量子系統(tǒng)中獲得了部分實驗驗證。

成果簡介

有鑒于此，哈佛大學(xué)Markus Greiner教授團隊在《Science》上發(fā)表題為“Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase”的最新論文。該團隊設(shè)計并制備了一種基于超冷原子的光學(xué)晶格系統(tǒng)，通過精確調(diào)控量子氣顯微鏡，成功實現(xiàn)了一維阿貝爾任意子，且能夠調(diào)節(jié)其統(tǒng)計相位θ。通過工程化的密度依賴佩爾爾斯相位模型（AHM），該團隊研究了兩粒子量子行走的動態(tài)行為，并觀察到了任意的Hanbury Brown–Twiss效應(yīng)，進一步驗證了該系統(tǒng)中的任意統(tǒng)計行為。

利用這一系統(tǒng)，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)粒子在量子行走過程中穿越不同的路徑并獲得相應(yīng)的幾何相位θ，類似于二維中任意子的交換行為。這項研究不僅成功展示了任意子在一維系統(tǒng)中的實現(xiàn)，還通過引入相互作用，觀察到了不同于玻色子和費米子的空間不對稱輸運行為，進一步加深了對一維任意子物理性質(zhì)的理解。

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值得注意的是，2024年5月8日，哈佛大學(xué)物理系Markus Greiner教授（2011年麥克阿瑟天才獎得主）團隊在Nature期刊發(fā)表題為“Observation of Nagaoka polarons in a Fermi–Hubbard quantum simulator”的研究論文。

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研究亮點

1. 本文首次通過超冷87Rb原子在光學(xué)晶格中實現(xiàn)了1D阿貝爾任何子（Abelian anyons），利用量子氣體顯微鏡對其進行精確控制。通過密度依賴的Peierls相位工程，研究人員能夠調(diào)節(jié)交換相位（θ），從而實現(xiàn)具有任意統(tǒng)計相位的1D任何子系統(tǒng)。這為研究1D任何子的動態(tài)行為和分?jǐn)?shù)統(tǒng)計提供了實驗基礎(chǔ)。

2. 研究團隊通過引入本征相互作用，觀察到兩任何子在量子走動過程中的不對稱輸運行為。通過調(diào)節(jié)交換相位θ，發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ為負(fù)時，輸運方向向右；當(dāng)θ為正時，輸運方向向左，這與費米子和玻色子不同，揭示了任何子的獨特輸運性質(zhì)。此外，實驗還展示了在沒有本征相互作用的情況下，任何子形成束縛態(tài)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象源于密度依賴的Peierls相位。

3. 實驗結(jié)果與理論預(yù)期一致，證實了密度依賴相位對于實現(xiàn)1D任何子的作用，展示了該系統(tǒng)在不同相互作用強度下的多種輸運行為。通過該三頻Floquet方案，研究人員能夠控制哈伯德模型中的關(guān)鍵參數(shù)（J、U和θ），為未來更大規(guī)模和更復(fù)雜的多體任何子系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。

圖文解讀

圖1. 在一維空間中，任意子的實現(xiàn)。

圖2. 兩個任意子的量子行走，U=0。

圖3: Fock態(tài)演化的干涉圖像。

圖4. 表征任意子的束縛對，U=0。

圖5. 由于現(xiàn)場相互作用U的存在，而導(dǎo)致了不對稱輸運。

結(jié)論展望

本文通過工程化密度依賴的Peierls相位，研究人員成功構(gòu)建了具有可調(diào)交換相位的1D系統(tǒng)，并通過量子漫步實驗揭示了分?jǐn)?shù)統(tǒng)計效應(yīng)。這一工作不僅驗證了在沒有本征相互作用的情況下形成束縛態(tài)的可能性，還表明引入本征相互作用后，密度依賴相位與相互作用之間的相互作用能顯著破壞反演對稱性，體現(xiàn)出1D任何子的獨特性質(zhì)。研究進一步展示了Floquet工程的強大能力，使得通過獨立調(diào)節(jié)J、U和θ，可以精準(zhǔn)控制1D系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)，為實現(xiàn)更復(fù)雜的多體效應(yīng)和新奇量子相提供了理論基礎(chǔ)。

此外，本文的實驗方法為未來研究1D任何子多體行為和拓?fù)淞孔佑嬎闾峁┝诵鹿ぞ?，尤其是使用超冷原子模擬非阿貝爾任何子，這為量子信息處理和量子計算的拓?fù)浔Ｗo提供了新的研究方向。未來，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和調(diào)控精度的提高，1D任何子的研究有望推動量子物理學(xué)和量子技術(shù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。

文獻信息

Joyce Kwan et al. ,Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase.

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/12/06/db4c1101b4/

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