北大劉雄軍團隊及合作者提出非遍歷臨界相的實現和探測

北京大學量子材料科學中心劉雄軍課題組和南方科技大學俞大鵬院士合作，提出如何在拉曼光晶格中實現和探測非遍歷的臨界相這一基本量子相，為實現和探測單粒子和多體臨界相指明方向。這項研究以「Realization and detection of non-ergodic critical phase in an optical Raman lattice」為題，發表在近期的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 125, 073204 (2020)]。

非遍歷臨界相示意圖

安德森局域是凝聚態物理中的一個基本量子現象，它展示了由無序引起的電子波函數的局域。基於冷原子高可操控性，可在實驗中製造出無序[Nature 453, 891 (2008)]和準周期晶格[Nature 453, 895 (2008)]，從而在實驗中觀測到安德森局域現象。對於一維無序或者準周期系統，如果加上相互作用，會出現多體局域的現象。這一現象最近在理論上被廣泛關注，同時在冷原子實驗中被觀測到[Science 349, 842 (2015)]。除擴展相和局域相（包括安德森局域相和多體局域相）之外，無序系統還存在第三類基本相，稱為臨界相。類似局域相，臨界相也存在於無相互作用和有相互作用的系統中。其中後者稱為多體臨界相，由劉雄軍課題組在最近一篇理論工作提出並證明其存在[arXiv:1910.12080]。臨界相的研究對於理解擴展相到局域相的轉變具有深刻意義，同時，它在能譜統計、波函數的多分形行為以及動力學演化方面表現出與擴展相和局域相不同的性質。然而，這一基本量子相到目前為止還未被觀測到。原因在於，一方面具有臨界相的模型很少，已知大多數模型只存在臨界點、不存在臨界相區域，即使對於個別具有臨界相的模型，因其理論條件十分特殊而不存在被實驗模擬的可能性；另一方面，如何在實驗測量上判斷臨界相的存在也缺乏研究。

這項工作基於近些年來在理論和實驗上發展的拉曼光晶格量子系統。拉曼光晶格的主要思想由劉雄軍等從2013年開始的一系列工作中提出，並在近五年來廣泛用於冷原子中實現自旋軌道耦合和拓撲物相。該工作提出一個具有準周期塞曼勢的一維自旋軌道耦合模型，屬於AIII對稱類，並證明這個模型的相圖有三個相——擴展相、局域相和臨界相，且臨界相佔據相圖中一個很寬的區域。在無相互作用情況下，作者提出可通過測量實空間波包動力學或者動量分布的時間演化來測得臨界相；而在有相互作用情形下，可以通過量子猝火探測初態的殘存率和密度的不平衡分布來測定多體臨界相。該工作給出具體實現所提模型的實驗細節，為實驗實現和探測的非遍歷量子臨界相指明了方向。

劉雄軍為文章通訊作者。量子中心和南方科技大學量子科學與工程研究院王玉成博士後、量子中心張龍博士後為文章共同第一作者。量子中心博士研究生牛森也參與了工作。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、中國科學院等資助。