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一維量子液體研究獲進展

    時間:2017-10-25 字體大小[]

        中國科技大學教授潘建偉及其同事苑震生等與中科院武漢物理與數學研究所研究員管習文研究組合作,通過對光晶格中的超冷原子進行量子調控和測量,結合量子可積系統理論,在國際上首次得到了一維有限溫多體系統在經典氣體和量子液體之間轉變的量子臨界性質,并通過測量其相位關聯觀測到了拉亭杰液體的冪定律關聯特性,在低維量子多體系統研究領域取得進展。該研究成果近日發表在《物理評論快報》上,并被選為編輯推薦文章。美國物理學會網刊Physics邀請該領域專家日內瓦大學教授Giamarchi,以《一維量子材料理論在冷原子和超導體實驗中得以驗證》為題,對這一研究成果作了評述。歐洲物理學會網站Physicsworld《以原子體系和約瑟夫森節模擬一維量子液體》為題報導了該成果。
      
        一維量子系統的研究涉及納米線、納米管到線型冷原子陣列等一系列物理材料,這些材料有望應用于納米光電技術、傳感技術、能源技術以及量子信息處理等領域。在一維量子系統的理論研究中,2016年諾貝爾物理學獎得主Haldane及其合作者在上世紀80年代作出了開創性的工作,他們建立了被稱為朝永-拉亭杰液體(TLL)的理論。這一理論抓住了一維體系特有的整體激發特征,預言了低溫下一維體系的超導性、贗長程序、自旋電荷分離等一系列物理特性。同時,量子多體相變具有豐富的量子臨界現象,是近年來低溫物理研究的前沿問題。然而,在實驗上制備和調控一維量子系統難度極大,觀測TTL理論所預言的物理特性及一維量子臨界現象長期以來是凝聚態物理和冷原子物理實驗中的重大挑戰。 
      
        針對這一懸而未決的重要基礎物理問題,在實驗上,該聯合研究團隊創造性地搭建了新的實驗系統,開發了獨特的量子調控技術,通過產生均勻冷原子勢阱巧妙地制備了一維超冷原子系綜;通過高分辨原位成像技術精確地測量了一維原子線密度;通過產生密度缺陷之后觀測系統的聲子傳播獲得了拉亭杰指數;引入原子再聚焦方法測量了原子動量空間分布,并首次實驗觀測了TLL特有的性質——關聯函數隨著距離按照冪指數衰減。在理論上,研究人員使用量子可積系統的Yang-Yang方法給出該模型的量子液體和臨界行為(該方法由楊振寧和楊振平在1969年理論推導得出),通過對實驗觀測的原子密度分布數據進行分析,提取了體系壓強、熵密度、比熱和壓縮率等熱力學量,推導出其遵循的普適規律;通過比熱的雙峰結構首次用實驗數據明確地定出了相圖上經典氣體、量子臨界區和TLL三個區域(如右圖)。 
      
        該工作實驗和理論結合,多個實驗證據之間相互印證,充分證明了拉亭杰液體的存在,提供了研究低維量子系統的新實驗方法,將推動低維量子模擬領域的研究進展。該工作得到了審稿人的高度評價:“這是一個高質量的、里程碑式的一維物理系統研究工作,不僅局限在超冷量子氣體中,而將在其它物理體系中具有廣泛的應用價值。” 
      
        研究工作得到了科技部、自然科學基金委、教育部、中科院等的資助。 

      

     

      左:觀測一維量子多體相變和拉亭杰液體的超冷原子實驗裝置示意圖;右:一維量子多體系統相圖

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