在量子气体中观测玻色子的任意子化

2025年5月28日，因斯布鲁克大学Hanns-Christoph Nägerl团队在《Nature》上发表了题为“Observing anyonization of bosons in a quantum gas”（在量子气体中观测玻色子的任意化）的文章。在一维强相互作用量子气体中，通过引入可移动杂质，观测到了源于自旋-电荷分离效应的新兴任意子关联现象。研究中通过调节统计相位，实现了从玻色子经由任意子到费米子的转变，还观测到了任意子的动态费米化现象。

任意子是存在于低维量子系统中的奇异准粒子，其交换统计相位介于玻色子（θ=0）和费米子（θ=π）之间，表现出分数统计特性。这类粒子在二维分数量子霍尔流体中被理论预言并实验证实，被认为是实现拓扑量子计算的关键载体。然而，一维任意子的理论猜想虽丰富多样，但因对系统对称性和相互作用的严苛依赖，其实验观测和验证却长期受阻。

该研究中，团队利用超冷铯原子构建了一维强相互作用系统。通过Feshbach共振将一维的玻色气体调制至强排斥极限，此时玻色子表现为费米子般的硬核排斥，占据空间呈“晶格化”分布。通过射频脉冲在宿主气体中生成单个自旋向下（↓）杂质，杂质与宿主间的相互作用强度可通过磁场调节。在强相互作用下，系统的波函数分离为电荷自由度和自旋自由度。通过加速杂质至特定动量，可诱导自旋波函数呈现分数交换对称性，从而将任意子统计注入电荷部分。杂质的动量分布n↓(k)可直接反映电荷部分的有效任意子关联，对任意子动量分布的表征是揭示其分数统计特性的核心实验手段。

▲一维任意子的实验实现

▲不同相位下的不对称动量分布

通过以上装置，可以观察到不同相位下的不对称动量分布和系统状态。θ=0，动量分布对称，峰值位于k=0，为玻色子。θ=0.53π或0.72π，动量分布显著偏斜，峰值降低且展宽，为任意子。θ=π，动量分布平坦，占据整个空间，为费米子。

▲任意子动量分布随相位变化

θ较小时，峰值动量k*∝θ（线性）；θ接近π时，k*急剧下降，分布趋近费米子。峰值占据数随θ增大单调递减。

以上实验数据与任意子Hubbard模型（AHM）、交换模型（Swap）及sBHM动力学模拟高度吻合。

▲任意子的动态费米化现象

在突然释放纵向束缚后，系统经历快速膨胀。初始不对称的任意子动量分布在约5ms内演化为对称的费米分布，证实了任意子统计的非平衡动力学特性。这一过程体现了任意子统计与费米统计之间的瞬时相干转换，揭示了量子统计与动力学演化之间的深刻联系。实验还通过调节杂质动量和相互作用强度，观测到统计相位θ对费米化速度的调控作用，为非平衡量子相变和拓扑物态的动力学研究提供了新范式。

本文首次在强相互作用一维量子气体中通过自旋-电荷分离机制实现了任意子相关性的观测，突破了维度限制，为探索非平衡量子统计现象提供了新平台。随着调控精度的提升，该体系有望成为量子模拟与信息处理的理想平台。研究不仅验证了任意子在低维体系中的普适性，还为拓扑量子计算和多体物理研究开辟了新路径。