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記者14日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、苑震生等與清華大學、蘭州大學同行合作，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。研究成果日前以“編輯推薦”的形式發(fā)表在國際學術期刊《物理評論快報》上。

規(guī)范理論和統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，將大量微觀粒子組成的系綜的微觀狀態(tài)與其宏觀統計規(guī)律連接起來的學科。那么，由規(guī)范理論描述的、遠離平衡態(tài)的量子多體系統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。

中國科大供圖

近年來，超冷原子量子模擬器的出現為同時研究規(guī)范理論和統計物理提供了理想的實驗平臺。研究人員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。

基于此，研究人員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精確地確定了相變點。

同時，研究人員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。