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上海交大物理与天文学院蔡子课题组在驱动-耗散量子多体系统中涌现的自发对称破缺和奇异量子态的工作中取得重要进展​​​​​​​

驱动-耗散量子多体系统中的模式形成和奇异量子态

近日,《Physical Review Letters》刊发了上海交大物理与天文学院蔡子课题组的题为“Pattern formation and exotic order in driven-dissipative Bose-Hubbard systems”的文章【1】,报道了其在驱动-耗散量子多体系统中涌现的自发对称破缺和奇异量子态的工作。

自发对称破缺是现代物理学的一个基本概念。在平衡态物理中,在低温下系统通过自发破缺哈密顿量的对称性,达到能量(自由能)更低且更稳定的有序态。在非平衡系统中,外界的能量输入和耗散会驱使系统远离热力学平衡态,在这一过程中具有不同对称性的非平衡模式往往会自发涌现。在非平衡物理的框架下,自发对称破缺这一基本概念被赋予了新的内涵:其背后的物理机制不再是能量(自由能)最小化, 而是在外界非平衡条件的驱动下,初始的均匀模式失稳,不均匀的涨落模式被放大,同时不同时空模式之间通过竞争与相互作用达到再平衡,最终赢得竞争的模式决定决定系统稳态的对称性。非平衡稳态中的模式形成与自发对称破缺已经成为经典非平衡统计物理研究的重要前沿课题。

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相比于经典非平衡系统,由于量子关联系统内在的复杂性,量子多体系统中的动力学行为往往更为复杂,也更加有趣。除了常规的模式形成和对称破缺态(例如条纹相),量子涨落可能恢复被破缺的对称性,产生出奇异量子多体态,这类非平衡量子物态既不同于经典非平衡系统中的模式形成,也和常规量子多体态(如自旋液体)有本质区别。探索远离平衡的量子多体系统中的自发对称破缺与奇异量子多体态的形成机制对人们理解这类新型量子物质具有重要意义。

最近,上海交通大学物理与天文学院蔡子特别研究员与Carlos Navarrete-Benlloch副教授和致远学院本科生王子健合作,研究了一类具有驱动-耗散相互作用的玻色系统中的非平衡稳态。他们发现,当外界驱动将这一系统驱动到远离平衡态时,这一玻色系统会展现出某些类似费米子系统的性质:“费米面”在这一过程中扮演了重要的角色。最终在“费米面”附近的动量模式赢得竞争,导致玻色子倾向于凝聚在“费米面”附近的动量上。在一般情况下,费米面附近的动量模式之间相互散射,最终一对具有相反动量的动量模式赢得竞争。玻色子凝聚在这一对动量上,在实空间出现具有条纹相的不均匀稳态结构。但是在一种特殊情况下,费米面特殊的“嵌套”结构使得动量模式间可能的散射通道数目极大的增加,这种情况下所有“费米面”上的动量模式都被玻色子占据,在实空间形成一种密度均匀分布的稳态。这类凝聚在“封闭线”上而不是“分立点”上的玻色-爱因斯坦凝聚体是一种奇异的量子多体态,可能帮助人们理解阻挫量子磁性、高温超导系统等强关联系统中涌现的奇异量子物态。此外, 这一驱动-耗散玻色子模型与当前基于超导比特的量子计算实验平台具有密切联系,这一工作揭示了这一平台不仅在量子计算方面具有重要的实际价值,其本身作为一种新型的人造量子系统,也可以被用于探索非平衡量子关联系统中的基本物理规律。

致远学院三年级本科生王子健为本工作第一作者,上海交通大学Carlos Navarrete-Benlloch副教授为共同第一作者,上海交通大学蔡子特别研究员为通讯作者。这一工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市科委重点项目和上海市人才计划的资助的支持。

论文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.115301 

【1】 Zijian Wang#, Carlos Navarrete-Benlloch# and Zi Cai∗,  “Pattern formation and exotic order in driven-dissipative Bose-Hubbard systems”,Phys. Rev. Lett. 125, 115301 (2020)

蔡子
物理与天文学院