量子融雪態(tài)：一種新奇的分形量子態(tài)

[本刊訊] 上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院蔡子課題組基于里德堡原子陣列系統(tǒng)，提出了一種新的量子多體態(tài)：量子融雪態(tài)。相關(guān)工作于2024年5月17日發(fā)表在《物理學(xué)評(píng)論》（Physical Review Letters）上。

凝聚態(tài)物理的研究目標(biāo)是揭示物質(zhì)的相與相變。以超冷原子、超導(dǎo)量子線路為代表的一批新型人造量子系統(tǒng)的出現(xiàn)，量子物態(tài)的探索有了新的機(jī)遇。其中，里德堡原子陣列系統(tǒng)由于其高度的實(shí)驗(yàn)可調(diào)節(jié)性，在量子模擬和量子計(jì)算領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，成為量子物理研究的重要前沿。一般來(lái)說，兩個(gè)里德堡原子可通過里德堡阻塞機(jī)制相互作用，即當(dāng)一個(gè)原子處于里德堡激發(fā)態(tài)時(shí)，其周圍的原子均不能被激發(fā)。除了里德堡阻塞機(jī)制以外，通過改變激光驅(qū)動(dòng)頻率，里德堡原子之間也可能發(fā)生反阻塞現(xiàn)象：當(dāng)且僅當(dāng)一個(gè)原子周圍有一個(gè)里德堡原子時(shí)，它可以被激發(fā)到里德堡態(tài)。這時(shí)，一個(gè)里德堡原子不僅不會(huì)阻礙周圍原子的激發(fā)，反而會(huì)幫助其中的一個(gè)原子激發(fā)到里德堡態(tài)。該過程被稱為動(dòng)力學(xué)約束。

為探索動(dòng)力學(xué)約束和量子漲落的交互作用下演生出的奇異量子多體態(tài)，該課題組利用隨機(jī)級(jí)數(shù)展開量子蒙特卡洛方法，研究了一個(gè)正方格子上具有上述里德堡反阻塞動(dòng)力學(xué)約束的最簡(jiǎn)化量子多體模型，發(fā)現(xiàn)這一簡(jiǎn)單模型可能展現(xiàn)出非平庸的基態(tài)。這一量子態(tài)的典型構(gòu)型中自發(fā)涌現(xiàn)出樹狀分形結(jié)構(gòu)（其維度約為1.8），且其關(guān)聯(lián)函數(shù)呈冪指數(shù)衰減，意味著該二維系統(tǒng)基態(tài)具有準(zhǔn)長(zhǎng)程序。更為重要的是，在這一量子態(tài)中，系統(tǒng)的格點(diǎn)根據(jù)其動(dòng)力行為的不同自發(fā)分成兩類，位于“量子樹”末端的格點(diǎn)感受到強(qiáng)烈的量子漲落，其自關(guān)聯(lián)函數(shù)迅速衰減（液體），而對(duì)于位于“量子數(shù)”樹干上的格點(diǎn)，量子漲落幾乎被凍結(jié)，展現(xiàn)出玻璃動(dòng)力學(xué)行為（固體），這一量子態(tài)類似經(jīng)典系統(tǒng)中的碎冰和水的混合物，因此被命名為量子融雪態(tài)。其展現(xiàn)的奇異性質(zhì)不同于目前已知的絕大部分量子態(tài)（例如量子磁性態(tài)、量子自旋液體或自旋玻璃態(tài)），該發(fā)現(xiàn)揭示了里德堡原子陣列這一量子平臺(tái)在探索新型量子物態(tài)方面巨大的潛力。

（勇 蘭）