2025年5月28日，因斯布魯克大學Hanns-Christoph N?gerl團隊在《Nature》上發(fā)表了題為“Observing anyonization of bosons in a quantum gas”（在量子氣體中觀測玻色子的任意化）的文章。在一維強相互作用量子氣體中，通過引入可移動雜質(zhì)，觀測到了源于自旋-電荷分離效應的新興任意子關聯(lián)現(xiàn)象。研究中通過調(diào)節(jié)統(tǒng)計相位，實現(xiàn)了從玻色子經(jīng)由任意子到費米子的轉(zhuǎn)變，還觀測到了任意子的動態(tài)費米化現(xiàn)象。

任意子是存在于低維量子系統(tǒng)中的奇異準粒子，其交換統(tǒng)計相位介于玻色子（θ=0）和費米子（θ=π）之間，表現(xiàn)出分數(shù)統(tǒng)計特性。這類粒子在二維分數(shù)量子霍爾流體中被理論預言并實驗證實，被認為是實現(xiàn)拓撲量子計算的關鍵載體。然而，一維任意子的理論猜想雖豐富多樣，但因?qū)ο到y(tǒng)對稱性和相互作用的嚴苛依賴，其實驗觀測和驗證卻長期受阻。

該研究中，團隊利用超冷銫原子構建了一維強相互作用系統(tǒng)。通過Feshbach共振將一維的玻色氣體調(diào)制至強排斥極限，此時玻色子表現(xiàn)為費米子般的硬核排斥，占據(jù)空間呈“晶格化”分布。通過射頻脈沖在宿主氣體中生成單個自旋向下（↓）雜質(zhì)，雜質(zhì)與宿主間的相互作用強度可通過磁場調(diào)節(jié)。在強相互作用下，系統(tǒng)的波函數(shù)分離為電荷自由度和自旋自由度。通過加速雜質(zhì)至特定動量，可誘導自旋波函數(shù)呈現(xiàn)分數(shù)交換對稱性，從而將任意子統(tǒng)計注入電荷部分。雜質(zhì)的動量分布n↓(k)可直接反映電荷部分的有效任意子關聯(lián)，對任意子動量分布的表征是揭示其分數(shù)統(tǒng)計特性的核心實驗手段。

▲一維任意子的實驗實現(xiàn)

▲不同相位下的不對稱動量分布

通過以上裝置，可以觀察到不同相位下的不對稱動量分布和系統(tǒng)狀態(tài)。θ=0，動量分布對稱，峰值位于k=0，為玻色子。θ=0.53π或0.72π，動量分布顯著偏斜，峰值降低且展寬，為任意子。θ=π，動量分布平坦，占據(jù)整個空間，為費米子。

▲任意子動量分布隨相位變化

θ較小時，峰值動量k*∝θ（線性）；θ接近π時，k*急劇下降，分布趨近費米子。峰值占據(jù)數(shù)隨θ增大單調(diào)遞減。

以上實驗數(shù)據(jù)與任意子Hubbard模型（AHM）、交換模型（Swap）及sBHM動力學模擬高度吻合。

▲任意子的動態(tài)費米化現(xiàn)象

在突然釋放縱向束縛后，系統(tǒng)經(jīng)歷快速膨脹。初始不對稱的任意子動量分布在約5ms內(nèi)演化為對稱的費米分布，證實了任意子統(tǒng)計的非平衡動力學特性。這一過程體現(xiàn)了任意子統(tǒng)計與費米統(tǒng)計之間的瞬時相干轉(zhuǎn)換，揭示了量子統(tǒng)計與動力學演化之間的深刻聯(lián)系。實驗還通過調(diào)節(jié)雜質(zhì)動量和相互作用強度，觀測到統(tǒng)計相位θ對費米化速度的調(diào)控作用，為非平衡量子相變和拓撲物態(tài)的動力學研究提供了新范式。

本文首次在強相互作用一維量子氣體中通過自旋-電荷分離機制實現(xiàn)了任意子相關性的觀測，突破了維度限制，為探索非平衡量子統(tǒng)計現(xiàn)象提供了新平臺。隨著調(diào)控精度的提升，該體系有望成為量子模擬與信息處理的理想平臺。研究不僅驗證了任意子在低維體系中的普適性，還為拓撲量子計算和多體物理研究開辟了新路徑。