武汉物数所离子晶体结构相变研究取得新进展

近日，中科院武汉物理与数学研究所冯芒研究员带领的束缚体系量子信息研究组在实验探索囚禁离子多体体系的结构相变方面取得进展，其结果发表在《科学报告》（ScientificReports）上。

相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果,多体体系中的相变一直是现代物理学关注的问题。通常与固、液、气三态对应，物质表现为固相、液相、气相，这三种相的变化与温度密切相关。在某个温度点，物质从一种相转变为另一种相过程称为相变。囚禁在电磁势阱中的冷离子在库仑场和囚禁势场的联合作用下能展现不同结构的相变，是研究多体物理复杂性并过渡到量子相变的一个理想研究平台。因此，研究这种结构相变不仅能从细节上把握多体体系丰富的物理特征，而且能为量子信息处理中量子比特的操控提供有效的物理机理。

为此，研究组自主研制了表面电极型平面离子芯片作为实验装置。该芯片尺寸略小于壹角钱的硬币，含有五对电极，在电场操纵下可以产生三个势阱。它是可扩展型量子计算芯片的雏形，可精确控制囚禁的离子来回移动和旋转。研究人员研究了6-16个离子在50mK下的结构相变，发现了四个相区和相应的三个相变过程，其中有两个相变过程以前从未被展现过：它们分别是从之字形结构变到单圈结构和从单圈结构变到多圈相套结构。通过对该过程作数值模拟并考虑离子的加热率，研究人员确认这些相变都是二级相变。

该研究是在科技部国家重大科学研究计划“囚禁单原子（离子）与光耦合体系量子态的操控”和国家自然科学基金等项目支持下完成的。

(左上)实物图：离子芯片与壹角钱硬币的比较；(左下)实验分析图：四个相区A、B、C、D和三个相变过程(A->B，B->C，C->D)；(右)10个离子结构相变的实验观测，图中的数值为代表各向异性的参变量。

（来源：中科院武汉物理与数学研究所）