量子气体中玻色子任意子化的实验观测及其非平衡动力学研究

研究人员通过强相互作用一维量子气体中的自旋-电荷分离现象，首次实现了玻色子向任意子（anyons）的连续统计相变（θ=0→π），并观测到不对称动量分布这一任意子关联特征。利用移动杂质同时作为自旋自由度工程化工具和探针，揭示了任意子的动力学费米化（dynamical fermionization）行为，为拓扑量子计算和非平衡统计物理研究提供了高度可控平台。

　　

在量子力学领域，粒子的统计性质决定了其集体行为：玻色子（θ=0）允许波函数对称叠加形成超流等宏观量子态，而费米子（θ=π）遵循泡利不相容原理构成物质稳定结构。然而在低维系统中，Leinaas-Myrheim和Wilczek理论预言存在介于两者之间的任意子（anyons），其分数统计特性在分数量子霍尔效应和拓扑量子计算中具有重要价值。尽管二维任意子已被实验证实，一维任意子因缺乏天然载体长期难以实现。传统方法如Floquet驱动仅能在两原子晶格中模拟任意子，而如何在多体系统中实现可控任意子并观测其非平衡动力学，成为量子模拟领域的重大挑战。

为解决这一难题，因斯布鲁克大学等机构的研究团队提出创新方案：利用强相互作用一维量子气体中的自旋-电荷分离现象，通过移动杂质同时实现任意子关联的工程化与探测。该研究首次在连续参数调控下观察到玻色子经任意子向费米子的统计相变，并捕捉到动力学费米化等非平衡现象，成果发表于《Nature》。

研究采用三项关键技术：1）利用Feshbach共振精确调控¹³³Cs原子间散射长度（a_↑↑≈750a₀），制备Tonks-Girardeau（TG）强关联玻色气体（γ_↑↑≈14）；2）通过射频脉冲产生自旋杂质（|F,m_F=|3,2>），结合磁光混合悬浮实现杂质动量hQ的绝热加载；3）采用Stern-Gerlach分离与飞行时间法测量杂质动量分布n_↓(k)，并通过矩阵乘积态算法（MPS）进行数值验证。

【实验结果】

1. 任意子化玻色子的动量分布
   通过调控演化时间τ（0-3.5ms）改变统计相位θ=Q/ρ=πQ/k_F，观察到n_↓(k)从θ=0时的对称玻色峰（k=0）逐渐演变为θ=π的平顶费米分布（-k_F至k_F）。中间相θ=0.53π时呈现显著不对称性，峰值偏移至k*=0.2k_F（图2），与任意子Hubbard模型（AHM）预测一致。

2. 统计相位的定量表征
   峰值动量k与θ呈非线性关系：θ<0.5π时k∝θ，θ→π时因费米化导致k骤降（图3a）。峰值占据数n_↓(k)随θ增加单调衰减，实验数据与交换模型（swap model）模拟高度吻合（图3b），证实任意子关联的存在。

3. 动力学费米化现象
   在t_1D=0ms时不同θ值的动量分布差异显著，而经5ms一维自由膨胀后均趋近对称分布（图4）。数值模拟显示N=10任意子体系释放后发生快速对称化，验证了硬核任意子（hardcore anyons）的动力学普适性。

【结论与意义】
该研究通过自旋-电荷分离机制在一维强关联量子气体中实现了统计相位θ的连续调控，首次观测到任意子特有的不对称动量分布和动力学费米化。创新性地利用杂质同时作为自旋波载体（产生θ相位）和探测探针，建立了玻色子-任意子-费米子的完整相变路径。这不仅为研究分数统计与非平衡动力学提供了理想平台，更为实现可调任意子相互作用、探索统计诱导相变（statistically induced phase transitions）奠定了基础。未来通过密度梯度调控θ相位的空间分布，有望研究统计界面（statistical interface）等新颖量子现象，推动拓扑量子模拟技术的发展。