我國學者發現多體量子相變的新動力學行為

圖1 光晶格超流至Mott態Kibble-Zurek動態相變，左圖為改進后的光晶格準動量測量，右圖為絕熱和非絕熱速率條件下超流相至Mott絕緣體的非相干比例

　　在國家自然科學基金項目（批準號：91736208）等資助下，北京大學信息科學學院陳徐宗、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莫特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，該結果超越了相變動力學普適標度不變律（Kibble-Zurek機制）的描述。研究成果以“超越Kibble-Zurek機制的多體量子相變觀察（Observation of Many-Body Quantum Phase Transitions beyond the Kibble-Zurek Mechanism）”為題發表在《Physical Review Letters》上。文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.200601。

　　非平衡物理和動力學行為是現代物理學中一個重要且具有挑戰性的方向。對于相變的動力學行為，人們基于對稱性自發破缺的性質進行定性討論，從而得到了關于相變動力學行為的普適標度不變律，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復雜的物理機制？

　　研究團隊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，發現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。其核心原因在于能隙的打開方式從初始的平方根關系漸變到線性關系，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。這一發現超出了相變動力學普適標度不變律（Kibble-Zurek機制）的描述（圖1）。

　　該工作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核心因素，從而為進一步研究量子相變動力學行為提供了新的可能性。