电子学院陈徐宗-周小计团队与合作者为量子多体系统关联的探测提供新方法

时间：2023年1月26日

来源：北京大学新闻网

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团队运用改良的能带映射方法，精准地测量出体系的准动量分布。在此基础上，以不同的速率改变光晶格的势能深度，观测到准粒子动量分布的相应变化。该实验正是凭借这些优势，验证了非绝热线性响应理论。

近日，北京大学电子学院陈徐宗教授团队与清华大学胡嘉仲副教授团队合作，利用清华大学翟荟教授等人提出的新型动力学线性响应理论，在冷原子光晶格体系中观测到不同量子物态之间不同的准粒子行为，为探测量子多体系统的平衡态关联提供了新思路和新方法。相关研究成果以题为“Probing quantum many-body correlations by universal ramping dynamics”的论文发表于Science Bulletin杂志。

量子多体系统具有新奇的量子物态和丰富的量子关联性质。我们通常采用线性响应的手段去探测物质的电荷或者自旋能隙，以此标定不同的量子态。而量子多体关联的另一个重要方面是多体体系是否具有良好的准粒子激发谱，这也刻画了多体系统的激发性质和动力学行为。

图1. (a) (b) 线性响应理论预言，(c) 优化的能带映射方法，(d) 准动量空间的线性响应谱

理论上，该工作提出了一套全新的非绝热线性响应理论。该方法基于含时地改变系统的参数，并测量响应物理量和处于平衡态时的差异。该理论指出，如果将这一差异按照参数变化的速率v展开，在保留一阶项的情况下，该差异和参数改变的历史轨迹无关，但可以反映系统平衡态的量子多体关联，这就提供了一种探测多体关联的新手段。进一步利用这种新探测方法可探知量子物态是否具有良好的准粒子激发。

实验上，该工作利用了冷原子光晶格实验平台。该团队运用改良的能带映射方法，精准地测量出体系的准动量分布。在此基础上，该团队以不同的速率改变光晶格的势能深度，观测到准粒子动量分布的相应变化。该实验正是凭借这些优势，验证了非绝热线性响应理论。这样一种冷原子系统，在不同光晶格深度下会表现出玻色超流、玻色莫特绝缘态和量子相变临界状态等不同的量子状态。利用这一特点，该实验标定了这个系统中不同物态之间不同的准粒子行为。

这一新的理论和实验结果于2023年1月5日发表于Science Bulletin 67（2022）2550—2556。北京大学电子学院博士研究生梁力搏、中国科学技术大学研究员郑炜和清华大学毕业生姚睿骁（现麻省理工学院博士研究生）为共同第一作者，陈徐宗、清华大学陈文兰副教授、翟荟和胡嘉仲为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市卓越青年科学家计划和科学探索奖的支持。