多體量子相變的臨界行為是量子物理學中最吸引人又最具挑戰性的問題之一。近日,北京大學資訊科學技術學院電子學系陳徐宗-周小計教授團隊與清華大學物理系胡嘉仲-陳文蘭教授團隊合作,利用新型光晶格能帶映射方法研究從超流體到Mott絕緣體多體量子相變的動力學行為,觀察到相同量子臨界參數的不同值,這一結果超出了人們對於相變動力學行為描述的普適標度不變律(Kibble-Zurek機制)。該研究成果以“Observation of Many-Body Quantum Phase Transitions beyond the Kibble-Zurek Mechanism”為題發表在Physical Review Letters上【Phys.Rev.Lett.127,200601(2021)】。
不同阱深加載速率條件下超流相至Mott絕緣體的非相干比例
改進後的光晶格准動量量測
非平衡物理和動力學行為是現代物理學中的一個重要且具有挑戰性的方向。對於相變的動力學行為,人們基於對稱性自發破缺的性質進行定性討論,從而得到了關於相變動力學行為的普適標度不變率,即Kibble-Zurek機制。這種相變的動力學描述方法在很多體系中都獲得了驗證。然而,隨著相變機制的延拓,從傳統的熱力學相變到量子相變,從對稱性自發破缺到無對稱性描述的拓撲相變,Kibble-Zurek機制還能不能刻畫這些更廣泛的相變動力學行為?多體量子相變是否具有更複雜的物理機制?論文利用超冷原子實驗平臺從一個對稱性破缺的量子態出發,進入一個對稱性守恒的量子態,對稱性變化的方向與傳統的相變描述方向正好相反。在該實驗中,通過對拓撲缺陷激發數和弛豫時間的獨立觀察,研究團隊發現動力學相變指數在同一系統中得到了不同值。其覈心原因在於能隙的打開管道從初始的平方根關係漸變到線性關係,這樣使得兩種不同相變動力學機制在同一個量子多體系統內產生了競爭,同時能隙的打開保護了早期產生的拓撲缺陷。
這一結果超出了相變動力學行為描述的普適標度不變律(Kibble-Zurek機制)。這項實驗進一步證明在多體量子相變中,能隙的改變是影響動力學行為和拓撲缺陷激發的覈心因素,為進一步研究量子相變動力學行為創造了新的可能性。該成果獲得了國家自然科學基金、科技部、低維量子物理國家重點實驗室等部門的經費支持和幫助。
北京大學博士生黃琪為第一作者、麻省理工學院博士生姚睿驍為第二作者,通訊作者為北京大學陳徐宗教授和清華大學胡嘉仲教授、陳文蘭教授。參與者包括北京大學周小計教授、李定平教授、熊煒助理研究員,北京大學博士生梁力搏、鄭欽佩,清華大學博士生王帥。