物理学家追踪维度的持续变化如何影响超流体的集体性质

实验的概念草图。a，b，从3D BEC开始，我们生成一个低维单元的集合，即2D层（a）和1D管（b）。c–f，在维度交叉期间一个特定层的演化示意图，其中量子气体从2D（c）到2D调制（d），再到相干耦合1D（e），然后通过不断增加晶格深度变成1D（f）。c 和 d 中的蓝色表示出现超流体区域的高密度状态。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI：

10.1038/s41567-024-02459-3

来自因斯布鲁克和日内瓦的一个国际研究小组首次探测了超冷量子物质的维度交叉。在一维和二维之间的状态中，量子粒子根据探测它们的长度尺度将它们的世界感知为一维或二维：对于短距离，它们的世界是一维的，但对于长距离来说，它们是二维的。

从相关测量中获得的结果刚刚发表在《自然物理学》上。

曼哈顿或迈阿密内城的居民早就知道这一点：在短距离内，长达一个街区的长度，城市“城市峡谷”内的世界似乎是一维的。只有一个方向是首选的。然而，随着十字路口的出现距离更长，世界是二维的：当走得足够远时，人们可能会探索横向。

量子粒子在超低温下被限制在“光学峡谷”中，并有可能通过量子隧道到达邻近的峡谷，它们也“知道”它们的维度是什么：它们对于短距离是一维的，但对于长距离来说是二维的。最近，因斯布鲁克大学实验物理系和日内瓦大学量子物质物理系的研究人员在一项联合实验理论工作中揭示了这种行为。

在超流体和量子简并状态下的降维和超低温量子系统已成为一个丰富的研究领域。二维超流体可能包含拓扑激发，相互作用的一维系统具有许多不寻常的特性，其中玻色子的费米电离是最引人注目的特性之一。

关于维度交叉的机制知之甚少：强相互作用的二维玻色子超流体如何连接到一维中的费米电离玻色子？使用冷原子作为研究平台，现在可以直接在实验中研究维度交叉。

在第一次测试中，物理学家探索了局限于可变光晶体的相互作用玻色子的相关特性。在混合维中，他们发现了单体相关函数的特征性双斜率衰减，反映了粒子同时是一维和二维的事实。

“我们的系统同时是1D和2D的，”这项工作的主要作者之一，因斯布鲁克的博士后Yanliang Guo说。“这取决于我们如何审问这个系统。

日内瓦的博士后姚合鹏（Hepeng Yao）通过最先进的量子蒙特卡罗方法进行了数值模拟和分析，他对此表示同意。“我们现在可以直接跟踪系统维度的持续变化如何影响超流体的集体特性。

“我们的实验给我们带来了惊喜，”郭艳良说。“鉴于我们高质量的数值建模，我们现在可以使用相关测量来确定量子液体在一维、二维和两者之间的温度，精度非常高。这可能会为新的发现开辟道路，例如探索难以捉摸的玻色玻璃相。

Hepeng Yao对此表示赞同，“在存在随机电位的情况下，在非常低的温度下对玻色子进行相关测量时，应该显示玻色玻璃的特征。

研究结果将为进一步研究低维量子物质及其维度交叉提供参考。

更多信息：郭艳亮等人，强相互作用超冷玻色子中二维-一维交叉的观察，《自然物理学》（2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02459-3

期刊信息： Nature Physics

来自：量子梦