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(jìn)展，利用單個(gè)囚禁離子成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)中的二維外爾粒子的量子模擬。相關(guān)成果《磁場(chǎng)中的二維外爾方程的量子模擬》發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

實(shí)驗(yàn)原理圖，圖片來(lái)自清華大學(xué)交叉信息研究院

相對(duì)論量子力學(xué)結(jié)合了現(xiàn)代物理學(xué)中兩個(gè)最重要的理論：狹義相對(duì)論和量子力學(xué)。狹義相對(duì)論(Special Theory of Relativity)由物理學(xué)家愛(ài)因斯坦提出。他在1905年發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文中提出，狹義相對(duì)論是區(qū)別于牛頓時(shí)空觀的新的平直時(shí)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(jiǎn)單的相對(duì)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(fèi)米子。作為相對(duì)論量子力學(xué)理論所允許的幾種基本粒子之一，外爾費(fèi)米子尚未在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上研究外爾費(fèi)米子的性質(zhì)，只能通過(guò)量子模擬的手段。此前實(shí)驗(yàn)在光子晶體和凝聚態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)外爾費(fèi)米子的能譜和輸運(yùn)性質(zhì)等進(jìn)行了測(cè)量，但無(wú)法對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行直接研究。另一方面，在離子阱系統(tǒng)中對(duì)有質(zhì)量的狄拉克粒子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過(guò)量子模擬，但只限于一維空間，而無(wú)法研究自旋動(dòng)力學(xué)和對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)等性質(zhì)。

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

此次，清華大學(xué)段路明團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光操控囚禁離子的內(nèi)態(tài)，以及兩個(gè)不同空間方向的聲子模式，成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)中二維外爾方程的量子模擬。通過(guò)制備不同的初態(tài)，以及對(duì)不同自旋觀測(cè)量的測(cè)量，前述團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)證了二維外爾粒子的線性色散關(guān)系、磁場(chǎng)中分立的朗道能級(jí)、螺旋性守恒等性質(zhì)。朗道規(guī)范（朗道量子化），指均勻磁場(chǎng)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(jí)。

動(dòng)力學(xué)演化測(cè)量，圖片來(lái)自清華大學(xué)交叉信息研究院

前述工作通過(guò)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。