近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，利用單個囚禁離子成功實現了磁場中的二維外爾粒子的量子模擬。相關成果《磁場中的二維外爾方程的量子模擬》發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

實驗原理圖，圖片來自清華大學交叉信息研究院

相對論量子力學結合了現代物理學中兩個最重要的理論：狹義相對論和量子力學。狹義相對論(Special Theory of Relativity)由物理學家愛因斯坦提出。他在1905年發表的《論動體的電動力學》一文中提出，狹義相對論是區別于牛頓時空觀的新的平直時空理論。“狹義”表示其只適用于慣性參考系。

外爾方程則是最簡單的相對論量子力學方程之一，描述了自旋為1/2的零質量粒子——外爾費米子。作為相對論量子力學理論所允許的幾種基本粒子之一，外爾費米子尚未在實驗中被發現：它曾被認為可用于描述中微子，但現在已知中微子具有微小的質量，并非零質量粒子。

因此，目前要從實驗上研究外爾費米子的性質，只能通過量子模擬的手段。此前實驗在光子晶體和凝聚態系統中，對外爾費米子的能譜和輸運性質等進行了測量，但無法對其動力學進行直接研究。另一方面，在離子阱系統中對有質量的狄拉克粒子動力學進行過量子模擬，但只限于一維空間，而無法研究自旋動力學和對磁場響應等性質。

線性色散關系與磁場中的分立能級，圖片來自清華大學交叉信息研究院

此次，清華大學段路明團隊通過激光操控囚禁離子的內態，以及兩個不同空間方向的聲子模式，成功實現了磁場中二維外爾方程的量子模擬。通過制備不同的初態，以及對不同自旋觀測量的測量，前述團隊成功驗證了二維外爾粒子的線性色散關系、磁場中分立的朗道能級、螺旋性守恒等性質。朗道規范（朗道量子化），指均勻磁場中帶電粒子的回旋軌道發生的量子化，這些帶電粒子能量在一系列分立的數值中取值，形成朗道能級。

動力學演化測量，圖片來自清華大學交叉信息研究院

前述工作通過引入額外的空間和自旋自由度，拓展了量子模擬在粒子物理領域的應用。