文章导读
你以为我们身处的三维世界就是物理法则的全部？当微观尺度缩小到量子级别，维度的变化会诱发出完全颠覆常识的奇异现象。北大团队利用超冷原子量子模拟器，首次捕捉到了从三维向低维跨越时的完整“普适相图”。实验中最惊人的发现，是系统在升温过程中竟然出现了“逆向”的维度跨越——三维量子态没有直接崩溃，而是先“退化”为一维或二维态。这个困扰物理学界已久的理论预言被证实，或许正是解开高温超导之谜的“上帝视角”，这一发现究竟意味着什么？
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维度是物理学中的一个基本概念，在凝聚态物理、相对论与弦理论、统计物理等领域具有重要的影响。近日，北京大学电子学院周小计、姚和朋团队与瑞士日内瓦大学Thierry Giamarchi教授团队合作，利用维度及温度可调的超冷原子量子模拟器，首次实现了维度跨越过程中普适相图的测量。相关成果以《原子量子模拟器中的维度跨越普适相图测量》（“Probing universal phase diagram of dimensional crossover with an atomic quantum simulator”）为题，于2026年4月15日发表在《自然·通讯》（Nature Communication）上。
我们处在三维的欧几里得空间中，对三维物理系统的状态方程及运动方程已有深入研究和广泛应用。但是，随着物理系统的维度降低，许多不同于三维世界的新奇物理现象则会涌现出来。而低维物理结构则广泛存在，例如导线、光纤、不同物质的界面等。因此，低维物理，尤其是微观尺度下的低维量子系统，已成为近年来的研究热点。而如何在实验中精确控制量子系统的维度并系统研究其演化规律是当今科研研究的重要课题之一。同时，以往对量子系统维度的研究多局限于单一维度或某一特定维度交叉过程，缺乏对普适相图的系统测量。
实验图示（a.实验装置示意图，b1.零温下的维度相图，b2.有限温度下的维度跨越普适相图）
本工作使用装载至三维三角光晶格中的超冷原子系统，构建了一个各向异性的量子模拟器。结合对超冷原子的温度控制技术，实现了从三维、二维、一维到零维的连续维度调控，以及维度跨越普适相图的测量。实验发现，在低温下，系统可以呈现不同整数维的量子态。随着温度升高，不同维度的量子态会随着维度从低到高依次消失，并在零维与高维量子态之间出现一个热力学相区。
热涨落诱导的维度跨越图示（a1、b1.实验测量结果，不同方向相干性在不同温度下消失；a2、b2.热涨落诱导的维度跨越机制示意图）
研究团队进一步揭示了五种量子态-热态转变类型，分别对应玻色-爱因斯坦凝聚、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变、Tomonaga-Luttinger液体转变和莫特绝缘体熔化等不同普适类。特别值得注意的是，团队发现了一种特殊的转变类型：原本处于三维量子态的系统在升温过程中，有可能先进入一维或二维量子态，随后才转变为热力学相。这种“热涨落诱导的维度跨越”现象此前仅为理论预言，尚未被实验证实，此次发现为理解维度对量子系统的影响提供了新视角。该研究不仅为探索非常规维度下的量子物质建立了可控实验平台，也为理解高温超导、有机导体等实际材料中维度驱动的物理行为提供了关键理论支撑。
北京大学博士生田金源和俞钟承为本工作共同第一作者，通讯作者为周小计、姚和朋以及瑞士日内瓦大学Thierry Giamarchi教授。参与者包括山西大学博士生刘京，北京大学博士生黎智健、博士生吴城阳、博士后税鸿冕和瑞士日内瓦大学博士生Lorenzo Pizzino。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京大学中央高校基本科研业务费和瑞士国家科学基金项目的支持。
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这成果有点牛啊，北大物理真硬核🤔