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近期，精密測量院研究員管習(xí)文與合作單位博士賀鵬應(yīng)英國物理學(xué)會（IOP）旗下國際期刊《物理學(xué)進展報告》（Reports on Progress in Physics）邀請撰寫了題為“量子可積新趨勢：近期超冷原子實驗”（New trends in quantum integrability: Recent experiments with ultracold atoms）的研究進展報告。論文介紹了若干一維量子嚴(yán)格可解模型和廣義流體動力學(xué)方法，著重討論和分析了近期關(guān)于一維冷原子系統(tǒng)中的多體物理現(xiàn)象的重要實驗結(jié)果，并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。文章于2022年6月17日發(fā)表在《物理學(xué)進展報告》。
量子牛頓單擺的實驗實現(xiàn)
（a）經(jīng)典牛頓單擺；（b）囚禁的準(zhǔn)一維玻色氣體實現(xiàn)了量子牛頓單擺。在時間t=0時刻，一維相互作用超冷原子被布拉格光脈沖分成反向運動的兩部分，在經(jīng)歷四分之一周期時，兩部分達到最大分離狀態(tài)；然后它們向中心位置移動，經(jīng)歷二分之一周期相遇后又沿相反方向運動，再一次分開；體系經(jīng)歷幾十時毫秒時間的演化和多次振蕩無法達到平衡狀態(tài)。本實驗觀測到的現(xiàn)象涉及到一維量子可積體系是否能夠熱化，也是一維量子多體物理的公開難題。
二十多年來超冷原子實驗物理學(xué)家成功制備了簡并玻色、費米以及玻色-費米混合系統(tǒng)并在其中觀測到許多新奇的物理現(xiàn)象。近十年來，低維超冷量子氣體的實驗制備使得一些重要的一維量子多體現(xiàn)象得以確定性的驗證，如今超冷原子已經(jīng)成為模擬一維量子多體問題的有力工具。另一方面，未來的量子科技一般是基于小尺度量子態(tài)的精確操控，因此不可避免的要研究低維量子多體系統(tǒng)。一維量子可積體系的研究為超冷原子物理實驗和量子精密測量提供了從理論到實驗的基準(zhǔn)性判據(jù)和指導(dǎo)。
管習(xí)文領(lǐng)導(dǎo)的量子可積系統(tǒng)研究組近些年來在一維量子多體物理學(xué)的研究中取得了若干在世界上頗有影響力的研究成果，多項理論預(yù)言被發(fā)表在《Science》及《Nature》等重要期刊的實驗所驗證。2013年他和其他合作者受世界另一頂尖期刊《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）主編邀請撰寫了長達59頁的關(guān)于一維費米氣體的綜述文章，綜述了一維費米氣體自1967年到2013年的重要發(fā)展過程及標(biāo)志性成果。此次新發(fā)表的《物理學(xué)進展報告》文章首先從量子可積系統(tǒng)的理論出發(fā)，介紹了Lieb-Liniger模型、Yang-Gaudin模型、多分量費米氣體等具有代表性的量子氣體的精確解，討論了這些模型的Bethe波函數(shù)、能譜、熱力學(xué)、關(guān)聯(lián)函數(shù)和普適的臨界行為等。特別地，該文章對近期發(fā)展的廣義吉布斯系綜（Generalized Gibbs Ensemble，GGE）和廣義流體動力學(xué) (Generalized hydrodynamics, GHD) 理論進行了介紹。隨后，文章著重介紹了與上述嚴(yán)格可解模型密切相關(guān)的最新冷原子實驗。2006年David Weiss團隊在一維束縛超冷玻色氣體中觀測到量子牛頓擺（Newton’s cradle），參見圖一，引發(fā)了關(guān)于廣義流體動力學(xué)和廣義吉布斯系綜的系列研究，量子可積系統(tǒng)的非平衡動力學(xué)和動力學(xué)費米化的實驗也是當(dāng)前的熱點課題。更進一步地，他們深入闡述了最新的一維實驗進展，包括量子繞異性（quantum holonomy）、自旋-電荷分離現(xiàn)像、Luttinger 液體、臨界現(xiàn)象、Haldane分數(shù)量子統(tǒng)計、集體激發(fā)、SU(N)高數(shù)學(xué)對稱性的費米氣體和量子雜質(zhì)等獨特的一維多體現(xiàn)象。 最后，他們展望了一維超冷原子體系未來量子科技的潛在應(yīng)用，包括用來探測引力、測試量子多體糾纏、實現(xiàn)量子熱機和制冷等重要應(yīng)用前景。
該理論工作獲得國家自然科學(xué)基金項目及科技部重點研發(fā)計劃的資助。
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