中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與清華大學翟薈、蘭州大學么志遠等合作，使用自主開發(fā)的超冷原子量子模擬器，研究了格點規(guī)范場理論中的非平衡態(tài)熱化過程與量子臨界性之間的關系，揭示了具備規(guī)范對稱性的多體系統(tǒng)處于量子相變臨界區(qū)域時易于熱化到平衡態(tài)的規(guī)律。這項研究成果近日以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際權威學術期刊《物理評論快報》上。

圖注：Maxwell方程組是一種滿足U(1)規(guī)范不變性的規(guī)范理論，于是，一個重要的問題是：規(guī)范理論所描述的物理體系能否通過熱化過程到達平衡態(tài)？這些問題的解決有助于回答宇宙早期演化等這類遠離平衡態(tài)的復雜物理問題。

規(guī)范理論和統(tǒng)計力學是物理學的兩大重要基礎理論。從經典電動力學的麥克斯韋方程組到描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等，都是滿足特定群對稱性的規(guī)范理論。統(tǒng)計力學，則是基于玻爾茲曼等提出的最大熵原理，將大量微觀粒子（原子、分子等）組成的系綜的微觀狀態(tài)與其宏觀統(tǒng)計規(guī)律連接起來的學科，如微觀粒子的能量分布是如何影響其壓力、體積或者溫度等宏觀量的。那么，由規(guī)范理論描述的、遠離平衡態(tài)的量子多體系統(tǒng)會熱化到熱力學平衡態(tài)嗎？回答這一問題將推動人們對規(guī)范理論、統(tǒng)計力學及兩者關系的理解。雖然理論物理學家們提出了各種模型來分析這一問題，但是在實驗上難于構建一個既由規(guī)范理論描述、又可人工操控并觀測其熱化過程的物理體系。

近年來，超冷原子量子模擬器的出現(xiàn)為同時研究規(guī)范理論和統(tǒng)計物理提供了理想的實驗平臺。2020年，中國科大的研究團隊開發(fā)了71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，首次對U(1)格點規(guī)范理論--施溫格模型（Schwinger Model）的量子相變過程進行了實驗模擬[Nature 587, 392 (2020)]；2022年，他們對格點規(guī)范場理論中非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)的熱化動力學進行了模擬，首次在實驗上證實了規(guī)范對稱性約束下量子多體熱化導致的初態(tài)信息“丟失” [Science 377, 311 (2022)]。近期，本工作的合作者翟薈和么志遠等通過理論研究指出，在此類格點規(guī)范模型中，量子熱化和量子相變之間存在關聯(lián)，并從反鐵磁Neel態(tài)出發(fā)，預言系統(tǒng)只有在量子相變點附近才能達到完全的熱化[Phys. Rev. B 105,125123 (2022)]。進一步觀測格點規(guī)范理論的量子熱化和量子相變之間的關系，對之前的實驗能力提出了新的挑戰(zhàn)：如何在單格點精度原位地、可區(qū)分原子數地操控和探測多體量子態(tài)。

圖注：a，高分辨成像裝置示意圖；b，晶格規(guī)范模型示意圖；c，相變示意圖。

潘建偉、苑震生團隊在他們已有的超冷原子量子模擬器基礎上，將量子氣體顯微鏡、自旋依賴超晶格和可編程光學勢阱等技術相結合，開發(fā)了單格點精度、粒子數可分辨的原子操作和檢測技術?；诖?，他們得以制備和探測任意原子構型的多原子量子態(tài),并在滿足規(guī)范對稱性約束下，追蹤多體量子態(tài)的動力學演化過程。在該工作中，他們在實驗中制備了特殊原子構型的初態(tài)，利用絕熱演化的方法研究了滿足規(guī)范對稱性約束的量子相變過程，通過有限尺寸標度理論首次在實驗中準地確定了相變點。同時，他們研究了同一構型初態(tài)在遠離平衡條件時的退火動力學過程，揭示了具備規(guī)范對稱性的多體系統(tǒng)處于量子相變臨界點附近時易于熱化到平衡態(tài)的規(guī)律。

圖注：上圖，通過有限尺寸效應確定相變點位置；下圖，通過退火動力學過程研究系統(tǒng)熱化是否滿足本征態(tài)熱化假說

該論文入選Phys.Rev.Lett.“編輯推薦”論文，美國物理學會“Physics”以“Watching a Quantum System Thermalize”為題作了報道：https://physics.aps.org/articles/v16/s115。

中國科學技術大學博士生王翰逸、博士后章維勇和蘭州大學青年研究員么志遠為論文的共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、安徽省、北京市和科學探索獎等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.050401

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

來源：中國科大新聞網