我院潘建伟、苑震生等与合作者在超冷原子量子模拟实验研究中取得了重要进展，研究团队首次观测到格点规范理论中的禁闭相与非禁闭相转化的微观动力学过程，为理解这一复杂的量子多体现象提供了新的研究手段。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《 自然·物理学 》（Nature Physics） 上。
禁闭（confinement）是一类非常有趣的物理现象，其中夸克禁闭为人们所熟知——虽然夸克是组成物质的基本粒子，但是由于夸克之间强相互作用的存在，人们无法在自然界中观测到单个的夸克，它们总是以多个捆绑在一起形成复合粒子的形式（如中子、质子）被观测到；即便是在高能粒子碰撞机中，人们也几乎无法改变夸克之间的相互作用，粒子碰撞碎片中的夸克瞬间就形成了新的复合粒子。类似地，人们在凝聚态体系中观测到了准粒子成对出现的现象，通过量子调控手段可以改变准粒子间的相互作用，从而使得准粒子受控地处在禁闭或者解禁闭状态。一个物理体系中是否存在禁闭现象以及能否人为调控粒子间相互作用实现禁闭到解禁闭状态之间的转换，牵涉复杂的量子多体效应，理论上一般没有解析方法求解，数值求解也面临各种挑战。
近年来，超冷原子量子模拟器的出现为研究禁闭问题提供了新的手段。2020年，中国科大的研究团队首次使用超冷原子光晶格量子模拟器建模了U(1)格点规范理论并验证了相应的局域规范守恒特性[Nature 587, 392 (2020)]，其后系统地研究了该理论的非平衡热化过程[Science 377, 311 (2022)；Phys.Rev. Res. 5, 023010(2023)；Phys. Rev. Lett. 131, 050401 (2023)]。基于以上基础，进一步研究U(1)格点规范理论中的禁闭-解禁闭相变问题仍面临两个重要困难：在理论上缺乏产生有效外电场的可行方案，在实验上缺乏产生和测控准粒子态的单格点原位调控技术。
在此项实验中，研究团队中的实验和理论合作者巧妙地设计了线性倾斜势与超晶格势阱结合的方案，在该条件下将玻色-哈伯德模型映射为具有动态电场的U(1)量子链路模型，实验模拟了具备动态外电场的量子电动力学规范理论；同时，研究团队开发了具备单格点及粒子数分辨的量子气体显微镜，原位产生并实时观测了粒子与反粒子对的微观动力学，清晰展示了U(1)格点规范理论中禁闭相和非禁闭相的转变过程。
此项研究表明，超冷原子量子模拟方法为探索规范理论中的量子相变提供了全新视角，并将在研究非阿贝尔格点规范理论、二维和三位格点规范模型的非平衡动力学等计算复杂度超越经典计算能力的物理问题中获得更为重要的应用。该论文自去年在arXiv预印本网站公布以来即受到相关领域学者的广泛关注，目前已被引用40余次，研究团队成员也受邀在国际原子物理大会ICAP2024和Gordon Research Conference上报告相关研究进展。
中国科学技术大学博士后章维勇、博士研究生刘颖和北京科技大学讲师程艳婷博士为论文的共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和安徽省的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02702-x
（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）