中国科技大学教授潘建伟团队：一维量子液体研究获进展

【成果简介】

中国科技大学教授潘建伟及其同事苑震生等与中科院武汉物理与数学研究所研究员管习文研究组合作，通过对光晶格中的超冷原子进行量子调控和测量，结合量子可积系统理论，在国际上首次得到了一维有限温多体系统在经典气体和量子液体之间转变的量子临界性质，并通过测量其相位关联观测到了拉亭杰液体的幂定律关联特性，在低维量子多体系统研究领域取得进展。该研究成果近日发表在物理评论快报上，并被选为编辑推荐文章。美国物理学会网刊Physics邀请该领域专家日内瓦大学教授Giamarchi，以“一维量子材料理论在冷原子和超导体实验中得以验证”为题，对这一研究成果作了评述。欧洲物理学会网站Physicsworld“以原子体系和约瑟夫森节模拟一维量子液体”为题报导了该成果。

【图文导读】

图1 实验设置和密度标定

（a）由一排管组成的1D系统

（b）不同温度下重新标定密度

图2 TLL的验证

（a）声速测量

（b）1D气体的动量曲线

【研究内容】

一维量子系统的研究涉及纳米线、纳米管到线型冷原子阵列等一系列物理材料，这些材料有望应用于纳米光电技术、传感技术、能源技术以及量子信息处理等领域。在一维量子系统的理论研究中，2016年诺贝尔物理学奖得主Haldane及其合作者在上世纪80年代作出了开创性的工作，他们建立了被称为朝永-拉亭杰液体（TLL）的理论。这一理论抓住了一维体系特有的整体激发特征，预言了低温下一维体系的超导性、赝长程序、自旋电荷分离等一系列物理特性。同时，量子多体相变具有丰富的量子临界现象，是近年来低温物理研究的前沿问题。然而，在实验上制备和调控一维量子系统难度极大，观测TTL理论所预言的物理特性及一维量子临界现象长期以来是凝聚态物理和冷原子物理实验中的重大挑战。 

针对这一悬而未决的重要基础物理问题，在实验上，该联合研究团队创造性地搭建了新的实验系统，开发了独特的量子调控技术，通过产生均匀冷原子势阱巧妙地制备了一维超冷原子系综；通过高分辨原位成像技术精确地测量了一维原子线密度；通过产生密度缺陷之后观测系统的声子传播获得了拉亭杰指数；引入原子再聚焦方法测量了原子动量空间分布，并首次实验观测了TLL特有的性质——关联函数随着距离按照幂指数衰减。在理论上，研究人员使用量子可积系统的Yang-Yang方法给出该模型的量子液体和临界行为（该方法由杨振宁和杨振平在1969年理论推导得出），通过对实验观测的原子密度分布数据进行分析，提取了体系压强、熵密度、比热和压缩率等热力学量，推导出其遵循的普适规律；通过比热的双峰结构首次用实验数据明确地定出了相图上经典气体、量子临界区和TLL三个区域（如右图）。 

该工作实验和理论结合，多个实验证据之间相互印证，充分证明了拉亭杰液体的存在，提供了研究低维量子系统的新实验方法，将推动低维量子模拟领域的研究进展。该工作得到了审稿人的高度评价：“这是一个高质量的、里程碑式的一维物理系统研究工作，不仅局限在超冷量子气体中，而将在其它物理体系中具有广泛的应用价值。” 

研究工作得到了科技部、自然科学基金委、教育部、中科院等的资助。 

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201710/t20171024_4618964.shtml

文献链接：Quantum criticality and the Tomonaga-Luttinger liquid in one-dimensional Bose gases（Phys. Rev. Lett.,2017,DOI:10.1103/PhysRevLett.119.165701）

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