一維自旋-電荷分離現象研究獲進展

2020-11-13 中科院之聲

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員管習文、博士研究生何豐、研究員姜玉鑄與中科院院士、北京計算科學研究中心主任林海青，美國萊斯大學教授Randy Hulet和浦晗合作，通過量子可積系統理論，得到一維超冷費米氣體獨特的分數化準粒子和自旋-電荷分離現象的精確結果，並給出實驗驗證該一維多體物理現象的具體方案，在低維量子多體普適規律研究中取得進展。相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

粒子間複雜的相互作用和系統豐富的內部自由度通常給系統物理特性的描述帶來挑戰，尤其是對費米子之間的相互作用如何影響低溫下量子液體狀態，這一研究已進行多年，學界發展出近似理論和唯象理論來描述和理解這種普適的低能物理，例如，朗道-費米液體理論描述高維電子體系、重費米子、近藤雜質等體系的低能量子流體特性。在一維量子多體物理中，朝永-拉亭戈液體理論及量子多體的長程關聯通常被用來描述一維多體系統的低能普適行為，一維相互作用費米子的低能激發通常分裂成兩支獨立的朝永-拉亭戈液體，其分別刻畫攜帶自旋和電荷的準粒子，該現象被稱為自旋電荷分離，是一維量子體系所獨有的多體物理現象，儘管這方面的研究已有多年歷史，並在一些固體材料中觀測到證據，包括今年德國馬克斯·普朗克研究所Bloch實驗組在Science 367，186（2020）發表的關於自旋-電荷分離的動力學研究，但是該現象仍缺乏令人信服的實驗驗證。自旋電荷分離現象涉及兩個特徵，即自旋-電荷分離的準粒子激發譜、分離的自旋和電荷朝永-拉亭戈液體。已有的固體物理實驗基本上觀測的是前者的特徵，或與分離激發譜相關的輸運特性，這方面的研究是理論和實驗研究難題。

教授楊振寧和Gaudin分別在1967年求解出一維自旋-1/2 delta-函數相互作用的費米氣體（即Yang-Gaudin模型），該模型是量子統計物理中的典範。然而，由於該模型精確解給出的方程較複雜，其中蘊含的物理是數學物理中的挑戰性難題，阻礙該模型在實際實驗中的應用。研究人員通過研究楊-Gaudin模型的精確解，首次精確計算出電荷自由度中的粒子-空穴集體激發譜和雙自旋子（分數化準粒子）激發譜，得到零溫和有限溫度下自旋-電荷分離的普適關係及量子臨界現象的普適標度。研究發現，一旦激發涉及反向散射或在臨界區受到熱漲落的強烈幹擾，電荷-自旋分離的朝永-拉亭戈液體特性會失效，在臨界區將湧現出非相干的拉亭戈液體區（COR區），它表現出不同於臨界區（QC）自由費米臨界標度關係。研究人員證明了一維超冷費米原子體系的動力學結構因子可用來觀測自旋電荷分離的激發譜和驗證朝永-拉亭戈液體動力學關聯函數，並據此提出實驗驗證自旋-電荷分離現象的具體方案。該研究提供了對分數化準粒子、自旋電荷分離、量子臨界性和非相干拉亭戈液體的精確理解，給出了量子多體物理的範例，並為將來可能的基於準粒子的量子精密測量提供了理論基礎。

研究工作得到科技部、自然科學基金委、教育部、中科院等的支持。

左圖：一維楊-Gaudin費米氣體的電荷和自旋激發譜--黃色區是電荷自由度中的粒子-空穴連續激發譜，綠色區域是雙自旋子（Spinon）的分數化激發譜。在小動量激發時，電荷與自旋激發均具有聲子色散關係，但以不同的群速度傳播，展現出電荷-自旋分離現象的本質。右圖為該模型的比熱臨界相圖。其中，QC代表量子臨界區，TLL代表朝永-拉亭戈液體，COR是非相干拉亭戈液體區（incoherent Luttinger liquid），那裡電荷自由度是相干的，自旋不再具有聲速

來源：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

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