武漢物數(shù)所在離子晶體結(jié)構(gòu)相變研究中取得新進展

　　近日，中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所研究員馮芒帶領(lǐng)的束縛體系量子信息研究組在實驗探索囚禁離子多體體系的結(jié)構(gòu)相變方面取得進展，其結(jié)果發(fā)表在《科學報告》（Scientific Reports）上。

　　相變是有序和無序兩種傾向相互競爭的結(jié)果，多體體系中的相變一直是現(xiàn)代物理學關(guān)注的問題。通常與固、液、氣三態(tài)對應(yīng)，物質(zhì)表現(xiàn)為固相、液相、氣相，這三種相的變化與溫度密切相關(guān)。在某個溫度點，物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程稱為相變。囚禁在電磁勢阱中的冷離子在庫侖場和囚禁勢場的聯(lián)合作用下能展現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的相變，是研究多體物理復雜性并過渡到量子相變的一個理想研究平臺。因此，研究這種結(jié)構(gòu)相變不僅能從細節(jié)上把握多體體系豐富的物理特征，而且能為量子信息處理中量子比特的操控提供有效的物理機理。

　　為此，研究組自主研制了表面電極型平面離子芯片作為實驗裝置。該芯片尺寸略小于壹角錢的硬幣，含有五對電極，在電場操縱下可以產(chǎn)生三個勢阱。它是可擴展型量子計算芯片的雛形，可精確控制囚禁的離子來回移動和旋轉(zhuǎn)。研究人員研究了6-16 個離子在50 mK 下的結(jié)構(gòu)相變，發(fā)現(xiàn)了四個相區(qū)和相應(yīng)的三個相變過程，其中有兩個相變過程以前從未被展現(xiàn)過：它們分別是從之字形結(jié)構(gòu)變到單圈結(jié)構(gòu)和從單圈結(jié)構(gòu)變到多圈相套結(jié)構(gòu)。通過對該過程作數(shù)值模擬并考慮離子的加熱率，研究人員確認這些相變都是二級相變。

　　該研究是在科技部國家重大科學研究計劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”和國家自然科學基金等項目支持下完成的。

　　(左上) 實物圖：離子芯片與壹角錢硬幣的比較；(左下) 實驗分析圖：四個相區(qū) A、B、C、D 和三個相變過程 (A-> B，B->C，C->D)；(右) 10個離子結(jié)構(gòu)相變的實驗觀測，圖中的數(shù)值為代表各向異性的參變量。