精密測(cè)量院管習(xí)文科研團(tuán)隊(duì)與美國(guó)萊斯大學(xué)蘭迪·休利特教授和浦晗教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)囚禁一維超冷費(fèi)米氣體首次確定性觀測(cè)到自旋-電荷分離的奇特現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)該體系中由自旋反向散射（backward scattering）引起的非線性朝永-拉亭戈液體效應(yīng)。相關(guān)研究成果 6月17日發(fā)表在《科學(xué)》上。

　　粒子間復(fù)雜的相互作用和系統(tǒng)豐富的內(nèi)部自由度通常給系統(tǒng)物理特性的描述帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。在一維量子多體物理中，朝永-拉亭戈液體理論通常被用來(lái)描述一維多體系統(tǒng)的低能普適行為。一維相互作用費(fèi)米子的低能激發(fā)通常會(huì)分裂成兩支獨(dú)立的朝永-拉亭戈液體，它們分別刻畫(huà)攜帶自旋和電荷的分?jǐn)?shù)化準(zhǔn)粒子的集體運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為自旋-電荷分離，參見(jiàn)圖一。它是一維量子多體物理中獨(dú)特的普適規(guī)律。盡管這方面的研究有40多年的歷史，人們也在一維固體材料發(fā)現(xiàn)一些與自旋-電荷分離現(xiàn)象相關(guān)的證據(jù)（evidence），然而對(duì)于這種現(xiàn)象至今缺乏確定性（conclusive）的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理論如何表征自旋-電荷分離現(xiàn)象以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的調(diào)控方法都是公認(rèn)的世界性難題。

　　中美研究團(tuán)隊(duì)自2018年開(kāi)始合作，通過(guò)研究一維相互作用費(fèi)米氣體楊-高丁模型（Yang-Gaudin model）的精確解，發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)波極限下該模型中的電荷自由度的粒子-空穴集體激發(fā)和自旋自由度的分?jǐn)?shù)化準(zhǔn)粒子（自旋子）激發(fā)可完美地形成分離的自旋密度波和電荷密度波，這樣通過(guò)布拉格譜可以分別測(cè)得自旋和電荷的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)因子（dynamics structure factor（DSF）），該物理量深刻揭示了量子液體中多體關(guān)聯(lián)的本質(zhì)。因此，通過(guò)對(duì)相關(guān)集體激發(fā)譜的DSF的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋-電荷分離現(xiàn)象的確定性驗(yàn)證，他們的這一理論預(yù)言在2020年率先發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上（Physical Review Letters 125,190401 (2020)）。

　　 2020年至今，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作通過(guò)囚禁一維超冷原子實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了這一重要的量子多體物理的普適規(guī)律。在囚禁的一維超冷6Li費(fèi)米原子中，他們對(duì)電荷DSF的測(cè)量選擇了精細(xì)能級(jí)|1> and |2> (|F = 1, MF = ±1/2)作為自旋態(tài)，2P3/2態(tài)為激發(fā)態(tài)，對(duì)自旋DSF的測(cè)量選擇了精細(xì)能級(jí)|1>  and |3> 作為自旋態(tài)，3P3/2態(tài)為激發(fā)態(tài)，參見(jiàn)圖一（A-D）。他們通過(guò)布拉格光分別激發(fā)電荷與自旋密度波，并調(diào)控不同相互作用強(qiáng)度測(cè)量出其相應(yīng)的電荷和自旋的布拉格譜，參見(jiàn)圖一（E）。在不同相互作用下布拉格譜的峰值給出了相應(yīng)的電荷和自旋的傳播聲速，參見(jiàn)圖二（F）。在理論方面，他們通過(guò)復(fù)雜的三維粒子數(shù)分布獲得了一維管狀系統(tǒng)中的密度分布，再進(jìn)一步利用一維相互作用費(fèi)米氣體楊-高丁模型精確解和朝永-拉亭戈液體理論精確計(jì)算了囚禁冷原子電荷與自旋的DSF?？紤]了電荷激發(fā)譜中的曲率修正和自旋激發(fā)譜中的反向散射引起的非線性效應(yīng)后，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。這在國(guó)際上首次通過(guò)超冷原子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自旋-電荷分離現(xiàn)象的朝永-拉亭戈液體理論，并給出非線性拉亭戈液體理論的有力證據(jù)。本項(xiàng)工作不但展現(xiàn)了量子多體物理中的典范，并且為將來(lái)基于原子分子和光物理的精密測(cè)量科技提供了新的思想。  

　　相關(guān)研究成果以“具有可控相互作用一維費(fèi)米氣體中的自旋-電荷分離“Spin-charge separation in a 1D Fermi gas with tunable interactions”為題，發(fā)表在《科學(xué)》 (Science)雜志上。在本項(xiàng)工作中管習(xí)文科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)理論計(jì)算及分析，管習(xí)文與蘭迪·休利特教授為共同通訊作者。

　　該理論工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abn1719

2022年6月17日《科學(xué)》雜志亮點(diǎn)工作介紹配圖