子科生物報(bào)道：多體量子相變的臨界行為是量子物理學(xué)中最吸引人又最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系陳徐宗-周小計(jì)教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)物理系胡嘉仲-陳文蘭教授團(tuán)隊(duì)合作，利用新型光晶格能帶映射方法研究從超流體到Mott絕緣體多體量子相變的動(dòng)力學(xué)行為，觀察到相同量子臨界參數(shù)的不同值，這一結(jié)果超出了人們對(duì)于相變動(dòng)力學(xué)行為描述的普適標(biāo)度不變律（Kibble-Zurek機(jī)制）。該研究成果以“Observation of Many-Body Quantum Phase Transitions beyond the Kibble-Zurek Mechanism”為題發(fā)表在Physical Review Letters上【Phys.Rev. Lett. 127, 200601 (2021)】。

不同阱深加載速率條件下超流相至Mott絕緣體的非相干比例

改進(jìn)后的光晶格準(zhǔn)動(dòng)量測(cè)量

非平衡物理和動(dòng)力學(xué)行為是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的方向。對(duì)于相變的動(dòng)力學(xué)行為，人們基于對(duì)稱性自發(fā)破缺的性質(zhì)進(jìn)行定性討論，從而得到了關(guān)于相變動(dòng)力學(xué)行為的普適標(biāo)度不變率，即Kibble-Zurek機(jī)制。這種相變的動(dòng)力學(xué)描述方法在很多體系中都獲得了驗(yàn)證。然而，隨著相變機(jī)制的延拓，從傳統(tǒng)的熱力學(xué)相變到量子相變，從對(duì)稱性自發(fā)破缺到無(wú)對(duì)稱性描述的拓?fù)湎嘧儯琄ibble-Zurek機(jī)制還能不能刻畫(huà)這些更廣泛的相變動(dòng)力學(xué)行為？多體量子相變是否具有更復(fù)雜的物理機(jī)制？論文利用超冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從一個(gè)對(duì)稱性破缺的量子態(tài)出發(fā)，進(jìn)入一個(gè)對(duì)稱性守恒的量子態(tài)，對(duì)稱性變化的方向與傳統(tǒng)的相變描述方向正好相反。在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)拓?fù)淙毕菁ぐl(fā)數(shù)和弛豫時(shí)間的獨(dú)立觀察，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)相變指數(shù)在同一系統(tǒng)中得到了不同值。其核心原因在于能隙的打開(kāi)方式從初始的平方根關(guān)系漸變到線性關(guān)系，這樣使得兩種不同相變動(dòng)力學(xué)機(jī)制在同一個(gè)量子多體系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)能隙的打開(kāi)保護(hù)了早期產(chǎn)生的拓?fù)淙毕荨?/p>

這一結(jié)果超出了相變動(dòng)力學(xué)行為描述的普適標(biāo)度不變律（Kibble-Zurek機(jī)制）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明在多體量子相變中，能隙的改變是影響動(dòng)力學(xué)行為和拓?fù)淙毕菁ぐl(fā)的核心因素，為進(jìn)一步研究量子相變動(dòng)力學(xué)行為創(chuàng)造了新的可能性。該成果獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等部門的經(jīng)費(fèi)支持和幫助。