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記者14日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、苑震生等與清華大學(xué)、蘭州大學(xué)同行合作，使用自主開(kāi)發(fā)的超冷原子量子模擬器，研究了格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論中的非平衡態(tài)熱化過(guò)程與量子臨界性之間的關(guān)系，揭示了具備規(guī)范對(duì)稱性的多體系統(tǒng)處于量子相變臨界區(qū)域時(shí)易于熱化到平衡態(tài)的規(guī)律。研究成果日前以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

規(guī)范理論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)是物理學(xué)的兩大重要基礎(chǔ)理論。從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組到描述基本粒子相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等，都是滿足特定群對(duì)稱性的規(guī)范理論。統(tǒng)計(jì)力學(xué)則是基于玻爾茲曼等提出的最大熵原理，將大量微觀粒子組成的系綜的微觀狀態(tài)與其宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律連接起來(lái)的學(xué)科。那么，由規(guī)范理論描述的、遠(yuǎn)離平衡態(tài)的量子多體系統(tǒng)會(huì)熱化到熱力學(xué)平衡態(tài)嗎？回答這一問(wèn)題將推動(dòng)人們對(duì)規(guī)范理論、統(tǒng)計(jì)力學(xué)及兩者關(guān)系的理解。雖然理論物理學(xué)家們提出了各種模型來(lái)分析這一問(wèn)題，但是在實(shí)驗(yàn)上難于構(gòu)建一個(gè)既由規(guī)范理論描述、又可人工操控并觀測(cè)其熱化過(guò)程的物理體系。

中國(guó)科大供圖

近年來(lái)，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為同時(shí)研究規(guī)范理論和統(tǒng)計(jì)物理提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研究人員在他們已有的超冷原子量子模擬器基礎(chǔ)上，將量子氣體顯微鏡、自旋依賴超晶格和可編程光學(xué)勢(shì)阱等技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了單格點(diǎn)精度、粒子數(shù)可分辨的原子操作和檢測(cè)技術(shù)。

基于此，研究人員得以制備和探測(cè)任意原子構(gòu)型的多原子量子態(tài)，并在滿足規(guī)范對(duì)稱性約束下，追蹤多體量子態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程。在該工作中，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中制備了特殊原子構(gòu)型的初態(tài)，利用絕熱演化的方法研究了滿足規(guī)范對(duì)稱性約束的量子相變過(guò)程，通過(guò)有限尺寸標(biāo)度理論首次在實(shí)驗(yàn)中精確地確定了相變點(diǎn)。

同時(shí)，研究人員研究了同一構(gòu)型初態(tài)在遠(yuǎn)離平衡條件時(shí)的退火動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示了具備規(guī)范對(duì)稱性的多體系統(tǒng)處于量子相變臨界點(diǎn)附近時(shí)易于熱化到平衡態(tài)的規(guī)律。