段路明研究組首次觀測到一階量子相變中的廣義相變動力學(xué)機(jī)制
段路明研究組首次觀測到一階量子相變中的廣義相變動力學(xué)機(jī)制
2020年05月25日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授研究組與徐勇助理教授合作，在基于鈉原子的玻色愛因斯坦凝聚體中，首次在理論上將相變動力學(xué)（Kibble-Zurek）機(jī)制推廣到一階量子相變，并實(shí)驗(yàn)觀測到這種廣義的Kibble-Zurek機(jī)制。該成果論文《Observation of generalized Kibble-Zurek mechanism across a first-order quantum phase transition in a spinor condensate》（《自旋玻色凝聚體一階量子相變中廣義Kibble-Zurek機(jī)制的觀測》）近日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。
對于二階量子相變，Kibble-Zurek機(jī)制提供了一個統(tǒng)一的理論來描述該系統(tǒng)相變動力學(xué)中的通用標(biāo)度定律，在物理學(xué)與宇宙學(xué)中有廣泛應(yīng)用。具體來說，Kibble-Zurek機(jī)制預(yù)測，通過調(diào)控系統(tǒng)參數(shù)將系統(tǒng)驅(qū)動跨過相變點(diǎn)的過程中，系統(tǒng)會經(jīng)歷三個階段：絕熱階段，冷凍階段，然后再次進(jìn)入絕熱階段。根據(jù)Kibble-Zurek機(jī)制預(yù)測，在線性掃描過程中，系統(tǒng)解凍的動力學(xué)相變點(diǎn)與線性掃描速度具有冪律標(biāo)度關(guān)系。
與二階相變不同，一階相變在相變點(diǎn)處兩相共存。當(dāng)系統(tǒng)偏離相變點(diǎn)時，也會有亞穩(wěn)態(tài)的存在，這導(dǎo)致一階相變的標(biāo)度關(guān)系通常不能用傳統(tǒng)的Kibble-Zurek機(jī)制描述。段路明教授研究組理論上發(fā)現(xiàn)對于一階相變，相關(guān)能隙由壓穩(wěn)態(tài)和其相應(yīng)的第一激發(fā)態(tài)決定，而非二階相變中的基態(tài)和相應(yīng)的第一激發(fā)態(tài)決定。這個相關(guān)能隙的倒數(shù)決定了系統(tǒng)的弛豫時間，從而決定了系統(tǒng)解凍時的參數(shù)值。我們將這一機(jī)制稱為廣義Kibble-Zurek機(jī)制。段路明教授研究組進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)觀測鈉原子凝聚體在極性相和反鐵磁相的一階相變中的冪律標(biāo)度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與廣義Kibble-Zurek機(jī)制預(yù)測高度吻合（如圖1所示）。該結(jié)果為進(jìn)一步研究一階相變中廣義Kibble-Zurek機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
圖：Kibble-Zurek實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該論文共同第一作者為清華大學(xué)交叉信息研究院博士研究生仇麗媛、梁海玉和楊炎彬，通訊作者為段路明教授和徐勇助理教授，其他作者包括交叉信息研究院博士后楊蒿翔和博士研究生田天。該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)等支持。
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論文鏈接：Science Advances? 22 May 2020: Vol. 6, no. 21, eaba7292
https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaba7292
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