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    我国学者发现多体量子相变的新动力学行为

    日期 2021-11-26   来源:数理科学部   作者:姜向伟 张诗按 齐静波 倪培根  【 】   【打印】   【关闭

    图1 光晶格超流至Mott态Kibble-Zurek动态相变,左图为改进后的光晶格准动量测量,右图为绝热和非绝热速率条件下超流相至Mott绝缘体的非相干比例

      在国家自然科学基金项目(批准号:91736208)等资助下,北京大学信息科学学院陈徐宗、周小计教授团队与清华大学物理系胡嘉仲、陈文兰教授团队合作,利用新型光晶格能带映射方法研究从超流体到莫特绝缘体多体量子相变的动力学行为,观察到相同量子临界参数的不同值,该结果超越了相变动力学普适标度不变律(Kibble-Zurek机制)的描述。研究成果以“超越Kibble-Zurek机制的多体量子相变观察(Observation of Many-Body Quantum Phase Transitions beyond the Kibble-Zurek Mechanism)”为题发表在《Physical Review Letters》上。文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.200601。

      非平衡物理和动力学行为是现代物理学中一个重要且具有挑战性的方向。对于相变的动力学行为,人们基于对称性自发破缺的性质进行定性讨论,从而得到了关于相变动力学行为的普适标度不变律,即Kibble-Zurek机制。这种相变的动力学描述方法在很多体系中都获得了验证。然而,随着相变机制的延拓,从传统的热力学相变到量子相变,从对称性自发破缺到无对称性描述的拓扑相变,Kibble-Zurek机制还能不能刻画这些更广泛的相变动力学行为?多体量子相变是否具有更复杂的物理机制?

      研究团队利用超冷原子实验平台从一个对称性破缺的量子态出发,进入一个对称性守恒的量子态,发现对称性变化的方向与传统的相变描述方向正好相反。在该实验中,通过对拓扑缺陷激发数和弛豫时间的独立观察,研究团队发现动力学相变指数在同一系统中得到了不同值。其核心原因在于能隙的打开方式从初始的平方根关系渐变到线性关系,这样使得两种不同相变动力学机制在同一个量子多体系统内产生了竞争,同时能隙的打开保护了早期产生的拓扑缺陷。这一发现超出了相变动力学普适标度不变律(Kibble-Zurek机制)的描述(图1)。

      该工作进一步证明在多体量子相变中,能隙的改变是影响动力学行为和拓扑缺陷激发的核心因素,从而为进一步研究量子相变动力学行为提供了新的可能性。




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