新聞科研進(jìn)展
近期，精密測量院研究員管習(xí)文與合作單位博士賀鵬應(yīng)英國物理學(xué)會(huì)（IOP）旗下國際期刊《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》（Reports on Progress in Physics）邀請(qǐng)撰寫了題為“量子可積新趨勢：近期超冷原子實(shí)驗(yàn)”（New trends in quantum integrability: Recent experiments with ultracold atoms）的研究進(jìn)展報(bào)告。論文介紹了若干一維量子嚴(yán)格可解模型和廣義流體動(dòng)力學(xué)方法，著重討論和分析了近期關(guān)于一維冷原子系統(tǒng)中的多體物理現(xiàn)象的重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。文章于2022年6月17日發(fā)表在《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》。
量子牛頓單擺的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)
（a）經(jīng)典牛頓單擺；（b）囚禁的準(zhǔn)一維玻色氣體實(shí)現(xiàn)了量子牛頓單擺。在時(shí)間t=0時(shí)刻，一維相互作用超冷原子被布拉格光脈沖分成反向運(yùn)動(dòng)的兩部分，在經(jīng)歷四分之一周期時(shí)，兩部分達(dá)到最大分離狀態(tài)；然后它們向中心位置移動(dòng)，經(jīng)歷二分之一周期相遇后又沿相反方向運(yùn)動(dòng)，再一次分開；體系經(jīng)歷幾十時(shí)毫秒時(shí)間的演化和多次振蕩無法達(dá)到平衡狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)觀測到的現(xiàn)象涉及到一維量子可積體系是否能夠熱化，也是一維量子多體物理的公開難題。
二十多年來超冷原子實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家成功制備了簡并玻色、費(fèi)米以及玻色-費(fèi)米混合系統(tǒng)并在其中觀測到許多新奇的物理現(xiàn)象。近十年來，低維超冷量子氣體的實(shí)驗(yàn)制備使得一些重要的一維量子多體現(xiàn)象得以確定性的驗(yàn)證，如今超冷原子已經(jīng)成為模擬一維量子多體問題的有力工具。另一方面，未來的量子科技一般是基于小尺度量子態(tài)的精確操控，因此不可避免的要研究低維量子多體系統(tǒng)。一維量子可積體系的研究為超冷原子物理實(shí)驗(yàn)和量子精密測量提供了從理論到實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)性判據(jù)和指導(dǎo)。
管習(xí)文領(lǐng)導(dǎo)的量子可積系統(tǒng)研究組近些年來在一維量子多體物理學(xué)的研究中取得了若干在世界上頗有影響力的研究成果，多項(xiàng)理論預(yù)言被發(fā)表在《Science》及《Nature》等重要期刊的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。2013年他和其他合作者受世界另一頂尖期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》（Reviews of Modern Physics）主編邀請(qǐng)撰寫了長達(dá)59頁的關(guān)于一維費(fèi)米氣體的綜述文章，綜述了一維費(fèi)米氣體自1967年到2013年的重要發(fā)展過程及標(biāo)志性成果。此次新發(fā)表的《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》文章首先從量子可積系統(tǒng)的理論出發(fā)，介紹了Lieb-Liniger模型、Yang-Gaudin模型、多分量費(fèi)米氣體等具有代表性的量子氣體的精確解，討論了這些模型的Bethe波函數(shù)、能譜、熱力學(xué)、關(guān)聯(lián)函數(shù)和普適的臨界行為等。特別地，該文章對(duì)近期發(fā)展的廣義吉布斯系綜（Generalized Gibbs Ensemble，GGE）和廣義流體動(dòng)力學(xué) (Generalized hydrodynamics, GHD) 理論進(jìn)行了介紹。隨后，文章著重介紹了與上述嚴(yán)格可解模型密切相關(guān)的最新冷原子實(shí)驗(yàn)。2006年David Weiss團(tuán)隊(duì)在一維束縛超冷玻色氣體中觀測到量子牛頓擺（Newton’s cradle），參見圖一，引發(fā)了關(guān)于廣義流體動(dòng)力學(xué)和廣義吉布斯系綜的系列研究，量子可積系統(tǒng)的非平衡動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)費(fèi)米化的實(shí)驗(yàn)也是當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。更進(jìn)一步地，他們深入闡述了最新的一維實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，包括量子繞異性（quantum holonomy）、自旋-電荷分離現(xiàn)像、Luttinger 液體、臨界現(xiàn)象、Haldane分?jǐn)?shù)量子統(tǒng)計(jì)、集體激發(fā)、SU(N)高數(shù)學(xué)對(duì)稱性的費(fèi)米氣體和量子雜質(zhì)等獨(dú)特的一維多體現(xiàn)象。 最后，他們展望了一維超冷原子體系未來量子科技的潛在應(yīng)用，包括用來探測引力、測試量子多體糾纏、實(shí)現(xiàn)量子熱機(jī)和制冷等重要應(yīng)用前景。
該理論工作獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
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