近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進展，利用單個囚禁離子成功實現(xiàn)了磁場中的二維外爾粒子的量子模擬。相關(guān)成果《磁場中的二維外爾方程的量子模擬》發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

實驗原理圖，圖片來自清華大學(xué)交叉信息研究院

相對論量子力學(xué)結(jié)合了現(xiàn)代物理學(xué)中兩個最重要的理論：狹義相對論和量子力學(xué)。狹義相對論(Special Theory of Relativity)由物理學(xué)家愛因斯坦提出。他在1905年發(fā)表的《論動體的電動力學(xué)》一文中提出，狹義相對論是區(qū)別于牛頓時空觀的新的平直時空理論。“狹義”表示其只適用于慣性參考系。

外爾方程則是最簡單的相對論量子力學(xué)方程之一，描述了自旋為1/2的零質(zhì)量粒子——外爾費米子。作為相對論量子力學(xué)理論所允許的幾種基本粒子之一，外爾費米子尚未在實驗中被發(fā)現(xiàn)：它曾被認(rèn)為可用于描述中微子，但現(xiàn)在已知中微子具有微小的質(zhì)量，并非零質(zhì)量粒子。

因此，目前要從實驗上研究外爾費米子的性質(zhì)，只能通過量子模擬的手段。此前實驗在光子晶體和凝聚態(tài)系統(tǒng)中，對外爾費米子的能譜和輸運性質(zhì)等進行了測量，但無法對其動力學(xué)進行直接研究。另一方面，在離子阱系統(tǒng)中對有質(zhì)量的狄拉克粒子動力學(xué)進行過量子模擬，但只限于一維空間，而無法研究自旋動力學(xué)和對磁場響應(yīng)等性質(zhì)。

線性色散關(guān)系與磁場中的分立能級，圖片來自清華大學(xué)交叉信息研究院

此次，清華大學(xué)段路明團隊通過激光操控囚禁離子的內(nèi)態(tài)，以及兩個不同空間方向的聲子模式，成功實現(xiàn)了磁場中二維外爾方程的量子模擬。通過制備不同的初態(tài)，以及對不同自旋觀測量的測量，前述團隊成功驗證了二維外爾粒子的線性色散關(guān)系、磁場中分立的朗道能級、螺旋性守恒等性質(zhì)。朗道規(guī)范（朗道量子化），指均勻磁場中帶電粒子的回旋軌道發(fā)生的量子化，這些帶電粒子能量在一系列分立的數(shù)值中取值，形成朗道能級。

動力學(xué)演化測量，圖片來自清華大學(xué)交叉信息研究院

前述工作通過引入額外的空間和自旋自由度，拓展了量子模擬在粒子物理領(lǐng)域的應(yīng)用。