基於裡德堡原子的多體模擬研究取得進展
2020-05-11 光明網中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在裡德堡原子研究方向取得新進展：該實驗室教授史保森、丁冬生與英國杜倫大學教授Charles. Adams等合作在實驗上實現了基於裡德堡原子的多體自組織模擬，主要研究成果於4月29日發表在國際物理學期刊Physics Review X上。
自然界有很多現象本質上遵循多體物理的演化規律，比如大樹如何生長、晶體如何自發生成、病毒細胞如何積聚並最終發展成病毒體以及通過社會網絡交互性感染人類等，這些由於多體相互作用產生的新物態服從一種自組織規律。自組織是指混沌系統在隨機識別時形成耗散結構的過程，它廣泛存在於自然界中，比如物理學中的相變和自發對稱性破缺現象、化學中分子自組裝和自催化網絡、生物學中蛋白質的自發摺疊和動物的集群行為、計算機科學中的細胞自動機以及社會學、經濟學、行為金融學和人類學等領域諸如批判性集群及集群思維等。一個特別有趣和重要的現象是自組織臨界（SOC）行為：系統被吸引到一個臨界點，在這個臨界點上，系統的行為發生了巨大的變化。SOC是自然界中許多複雜性例子的核心，例如森林火災和病毒的傳播等。因此，研究SOC對於模擬自然界複雜的多體問題具有重要的意義。
相較於稀薄的原子氣體，裡德堡原子系綜中的原子之間相互作用要強得多，高極化率使得原子之間的偶極相互作用可以長達數微米。強的相互作用使得研究人員可以在室溫條件下的原子系綜中觀察到非平衡相變現象。採用傳統粒子數布局法探測基於裡德堡原子非平衡相變的精度在幾百MHz的數量級。史保森、丁冬生及其合作者提出了一種新的探測方法：通過裡德堡原子的電磁誘導透明效應來觀測非平衡相變。相比於傳統方法將頻率解析度提高了兩個數量級。進一步，他們測出了完整的相圖，同時觀測了臨界點附近的動力學行為，並揭示出以前沒有被觀察到的在弱驅動光條件下的光學響應和非平衡動力學中的時域譜特性。
圖1是他們根據掃描的光譜信號得到的相圖。根據相圖可以清晰地區分單體無相互作用相(NI-phase)和多體相互作用相（I-phase）。當一個相互作用範圍內的平均裡德堡原子數量達到臨界值時，相變就會發生，系統就會從NI-phase到I-phase渡越（如圖2所示），反之亦然。由於測量的靈敏度在MHz量級，他們可以探測臨界點附近系統的動力學演化行為，並且發現系統的演化服從冪指數函數。實驗結果和森林火災模型所預測的一樣，這給研究多體動力學中的基本物理開闢了新的道路。
該工作得到審稿人的高度評價。文章發表在PRX上被Physics Viewpoint 熱點報導，並選為Featured in Physics在PRX主頁上Highlights推薦。
該成果得到科技部、基金委、中科院、安徽省引導專項以及中國科大的資助。
圖1 實驗測得相圖（左圖）和理論計算的相圖（右圖）。
圖2 基於裡德堡原子多體相變的概念圖（丁冬生設計）
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