【科研进展】量子融雪态：一种新奇的分形量子态

导语

近日，上海交通大学物理与天文学院蔡子课题组基于里德堡原子阵列系统，提出了一种新的量子多体态：量子融雪态。相关工作以“Quantum slush state in Rydberg atom arrays”为题发表与Physical Review Letters,并入选当期Editor Suggestion。

凝聚态物理的研究目标是揭示物质的相与相变。近年来，以超冷原子、超导量子线路为代表的一批新型人造量子系统的出现，为量子物态的探索提供了新的机遇。其中，里德堡原子阵列系统由于其高度的实验可调节性，在量子模拟和量子计算领域受到了广泛关注，成为近年来量子物理研究的重要前沿。一般来说，两个里德堡原子可以通过里德堡阻塞机制进行相互作用，即当一个原子处于里德堡激发态时，其周围的原子均不能被激发。除了里德堡阻塞机制以外，通过改变激光驱动频率，里德堡原子之间也可能发生反阻塞现象：当且仅当一个原子周围有一个里德堡原子的时候，它可以被激发到里德堡态。这时候，一个里德堡原子不仅不会阻碍周围原子的激发，反而会帮助其中的一个原子激发到里德堡态。这一过程被称为动力学约束（kinetic constraint）。

图1.（左）分型量子融雪态示意图；（右）量子蒙特卡洛模拟产生的典型构型

为了探索动力学约束和量子涨落的交互作用下演生出的奇异量子多体态， 上海交通大学蔡子课题组利用随机级数展开(SSE)量子蒙特卡洛方法，研究了一个正方格子上具有上述里德堡反阻塞动力学约束的最简化量子多体模型，发现这一简单模型可能展现出非平庸的基态。这一量子态的典型构型中自发涌现出树状分形结构（其维度约为1.8），且其关联函数呈幂指数衰减，意味着该二维系统基态具有准长程序。更为重要的是，在这一量子态中，系统的格点根据其动力行为的不同自发分成两类，位于“量子树”末端的格点感受到强烈的量子涨落，其自关联函数迅速衰减（液体），而对于位于“量子数”树干上的格点，量子涨落几乎被冻结，展现出玻璃动力学行为（固体），这一量子态类似经典系统中的碎冰和水的混合物，因此被命名为量子融雪态。其展现的奇异性质不同于目前已知的绝大部分量子态（例如量子磁性态、量子自旋液体或自旋玻璃态），该发现揭示了里德堡原子阵列这一量子平台在探索新型量子物态方面巨大的潜力。

该论文第一作者为上海交通大学2022级博士生张腾洲，上海交通大学物理与天文学院蔡子教授为通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划、自然基金委面上项目，上海市重大项目，上海市面上项目的支持。

文章链接

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.206503

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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