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研究背景

量子物理中，粒子的交換統計通常被分為兩類：玻色子和費米子。玻色子在交換位置時波函數不發生變化，而費米子在交換位置時會引入一個π相位。玻色子傾向于占據相同的量子態，這一特性在玻色-愛因斯坦凝聚體和激光中得到了廣泛應用，而費米子則遵循泡利不相容原理，通常表現為粒子占據不同的量子態。隨著維度的降低，尤其在二維空間中，粒子交換路徑的拓撲特性變得更加復雜，允許交換相位介于玻色子和費米子之間，從而產生了“任意子”（anyon）這一新型粒子。任意子具有非常規的交換統計，能夠在交換過程中獲得任何相位θ，從而在量子計算和拓撲物態等領域展現出獨特的應用潛力。然而，關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中獲得了部分實驗驗證。

成果簡介

有鑒于此，哈佛大學Markus Greiner教授團隊在《Science》上發表題為“Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase”的最新論文。該團隊設計并制備了一種基于超冷原子的光學晶格系統，通過精確調控量子氣顯微鏡，成功實現了一維阿貝爾任意子，且能夠調節其統計相位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行為，并觀察到了任意的Hanbury Brown–Twiss效應，進一步驗證了該系統中的任意統計行為。

利用這一系統，研究人員能夠實現粒子在量子行走過程中穿越不同的路徑并獲得相應的幾何相位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中的實現，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的理解。

大牛！他，「麥克阿瑟天才獎」得主/哈佛大學，發完Nature，再發Science！！

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

研究亮點

1. 本文首次通過超冷87Rb原子在光學晶格中實現了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，研究人員能夠調節交換相位（θ），從而實現具有任意統計相位的1D任何子系統。這為研究1D任何子的動態行為和分數統計提供了實驗基礎。

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。通過調節交換相位θ，發現當θ為負時，輸運方向向右；當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。此外，實驗還展示了在沒有本征相互作用的情況下，任何子形成束縛態的現象，這一現象源于密度依賴的Peierls相位。

3. 實驗結果與理論預期一致，證實了密度依賴相位對于實現1D任何子的作用，展示了該系統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鍵參數（J、U和θ），為未來更大規模和更復雜的多體任何子系統研究奠定了基礎。

圖文解讀

圖1. 在一維空間中，任意子的實現。

圖2. 兩個任意子的量子行走，U=0。

圖3: Fock態演化的干涉圖像。

圖4. 表征任意子的束縛對，U=0。

圖5. 由于現場相互作用U的存在，而導致了不對稱輸運。

結論展望

本文通過工程化密度依賴的Peierls相位，研究人員成功構建了具有可調交換相位的1D系統，并通過量子漫步實驗揭示了分數統計效應。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，體現出1D任何子的獨特性質。研究進一步展示了Floquet工程的強大能力，使得通過獨立調節J、U和θ，可以精準控制1D系統的統計性質，為實現更復雜的多體效應和新奇量子相提供了理論基礎。

此外，本文的實驗方法為未來研究1D任何子多體行為和拓撲量子計算提供了新工具，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撲保護提供了新的研究方向。未來，隨著系統規模的擴大和調控精度的提高，1D任何子的研究有望推動量子物理學和量子技術領域的進一步發展。

文獻信息

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

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