从锶原子链到“量子光谱仪”：加州理工团队直接测出临界量子系统的能谱

一台由原子组成的“量子光谱仪”

这项由加州理工学院（Caltech）领衔的国际合作实验，核心思路并不复杂：给量子系统施加周期性“敲击”，再观察它在什么频率下最容易从基态跃迁到激发态。

当驱动频率恰好匹配系统的多体能隙时，原子会发生明显的共振跃迁。研究人员据此反推出激发能量，并通过改变原子链长度，绘制出量子临界系统的低能谱。换言之，这套可编程的里德伯原子阵列不只是用来模拟相变，也能充当研究多体激发的光谱仪。

锶原子链如何模拟量子临界点

团队将最多35个单独俘获的锶原子排列成一维光镊链。每个原子都可以编码一个类似“自旋”的自由度：处于基态时可视为一种自旋状态，激发到高能的里德伯态后则对应另一种状态。里德伯态具有很大的电子轨道半径，因此相邻原子之间会产生强烈且可调的相互作用。

通过调节外部驱动和原子间相互作用，研究人员把系统推到有序相与无序相的分界处，也就是量子临界点。在这里，他们实现了两种重要的临界行为：伊辛临界点和三临界伊辛临界点。

多体调制光谱学：直接“听出”能级差

传统方法往往通过关联函数等间接信息推断多体激发。新实验采用的多体调制光谱学则更加直接：研究人员周期性改变哈密顿量中的某个参数，并测量原子群体在不同频率下的跃迁情况。

• 共振出现的频率对应系统的激发能量；
• 改变链的长度，可以区分普适的临界行为与有限尺寸效应；
• 对一维临界系统而言，低能隙通常会随链长增加而近似按链长的倒数缩小；
• 不同能级之间的比值，则会逐渐趋近由共形场论（CFT）决定的普适常数。

共形场论是一套描述临界系统低能、长距离行为的理论框架。它关注的是不依赖具体材料和微观细节的量，例如标度维数和能级比，因此能够揭示不同物理系统背后是否属于同一个“普适类”。

伊辛共形场论的实验检验

在伊辛临界点附近，实验测得的有限尺寸标度关系和极限能级比，与伊辛共形场论的预测相符。

原子阵列的局域操控还带来了额外信息。研究人员能够区分激发态在反射对称性下的不同宇称扇区，从而识别出具有不同对称性标签的能级。相比之下，普通的全局光谱测量往往难以清楚地区分这些对称性分量。

三临界伊辛点：更精细的普适结构

随后，团队进一步把系统调到更为精细的三临界点。这里并非只有有序相和无序相之间的普通临界分界，而是多个相边界汇合的特殊位置，因而具有不同于普通伊辛临界点的能级结构。

实验重现了三临界伊辛理论所预测的能级排列和普适能级比。研究人员还能够驱动与不同边界条件相关的跃迁，这也是共形场论中特有的一类检验信号。