近日，《Physical Review Letters》刊發了上海交大物理與天文學院蔡子課題組的題為「Pattern formation and exotic order in driven-dissipative Bose-Hubbard systems」的文章【1】，報導了其在驅動-耗散量子多體系統中湧現的自發對稱破缺和奇異量子態的工作。
自發對稱破缺是現代物理學的一個基本概念。在平衡態物理中，在低溫下系統通過自發破缺哈密頓量的對稱性，達到能量（自由能）更低且更穩定的有序態。在非平衡系統中，外界的能量輸入和耗散會驅使系統遠離熱力學平衡態，在這一過程中具有不同對稱性的非平衡模式往往會自發湧現。在非平衡物理的框架下，自發對稱破缺這一基本概念被賦予了新的內涵：其背後的物理機制不再是能量（自由能）最小化， 而是在外界非平衡條件的驅動下，初始的均勻模式失穩，不均勻的漲落模式被放大，同時不同時空模式之間通過競爭與相互作用達到再平衡，最終贏得競爭的模式決定決定系統穩態的對稱性。非平衡穩態中的模式形成與自發對稱破缺已經成為經典非平衡統計物理研究的重要前沿課題。
相比於經典非平衡系統，由於量子關聯繫統內在的複雜性，量子多體系統中的動力學行為往往更為複雜，也更加有趣。除了常規的模式形成和對稱破缺態（例如條紋相），量子漲落可能恢復被破缺的對稱性，產生出奇異量子多體態，這類非平衡量子物態既不同於經典非平衡系統中的模式形成，也和常規量子多體態（如自旋液體）有本質區別。探索遠離平衡的量子多體系統中的自發對稱破缺與奇異量子多體態的形成機制對人們理解這類新型量子物質具有重要意義。
最近，上海交通大學物理與天文學院蔡子特別研究員與Carlos Navarrete-Benlloch副教授和致遠學院本科生王子健合作，研究了一類具有驅動-耗散相互作用的玻色系統中的非平衡穩態。他們發現，當外界驅動將這一系統驅動到遠離平衡態時，這一玻色系統會展現出某些類似費米子系統的性質：「費米面」在這一過程中扮演了重要的角色。最終在「費米面」附近的動量模式贏得競爭，導致玻色子傾向於凝聚在「費米面」附近的動量上。在一般情況下，費米面附近的動量模式之間相互散射，最終一對具有相反動量的動量模式贏得競爭。玻色子凝聚在這一對動量上，在實空間出現具有條紋相的不均勻穩態結構。但是在一種特殊情況下，費米面特殊的「嵌套」結構使得動量模式間可能的散射通道數目極大的增加，這種情況下所有「費米面」上的動量模式都被玻色子佔據，在實空間形成一種密度均勻分布的穩態。這類凝聚在「封閉線」上而不是「分立點」上的玻色-愛因斯坦凝聚體是一種奇異的量子多體態，可能幫助人們理解阻挫量子磁性、高溫超導系統等強關聯繫統中湧現的奇異量子物態。此外， 這一驅動-耗散玻色子模型與當前基於超導比特的量子計算實驗平臺具有密切聯繫，這一工作揭示了這一平臺不僅在量子計算方面具有重要的實際價值，其本身作為一種新型的人造量子系統，也可以被用於探索非平衡量子關聯繫統中的基本物理規律。
致遠學院三年級本科生王子健為本工作第一作者，上海交通大學Carlos Navarrete-Benlloch副教授為共同第一作者，上海交通大學蔡子特別研究員為通訊作者。這一工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金以及上海市科委重點項目和上海市人才計劃的資助的支持。
論文連結：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）