非平衡量子多体系统
在传统固体电子材料中, 量子多体物理的研究对象多为处于热力学平衡态 (热力学性质)或近平衡态 (输运性质)的系统, 而对远离热力学平衡态的性质较少涉及. 近十年来, 由于量子调控技术和测量手段的飞速发展, 在凝聚态物理、超冷原子、固态量子信息等领域中涌现出大量新型的人造量子多体系统. 通过动态调控物理参数, 或者将系统耦合上非平衡的环境, 人们可以将这类量子多体系统驱动到远离平衡态的状态. 由于其独特的性质, 这类新型量子关联体系会演生出一些与传统平衡态多体系统完全不同的新现象与新物理, 很多重要的物理概念 (如拓扑序、自发对称破缺、普适类)在非平衡物理的框架下可能被赋予新的内涵. 同时, 由于量子技术的飞速发展, 理解这类复杂系统对于以量子计算和量子调控为代表的新一代量子科学技术的发展具有重要的现实意义.
非平衡量子多体系统是一个崭新的研究领域, 其中有大量的未解之谜. 由于其具有强关联和非平衡的双重困难, 人们对这一系统的认知极其有限. 同时, 非平衡量子关联体系的研究范围不局限于某一特定的物理分支, 而是涉及凝聚态物理、原子分子物理和量子光学、量子信息与量子计算、非平衡统计物理等诸多现代物理学的前沿领域. 这些不同体系中涌现出来的非平衡量子关联现象, 既融合了各自体系的不同特征, 又展现出普适的一般规律. 我们期待未来不同学科的物理思想和研究方法在这一领域交叉融合, 碰撞出更为绚丽的火花. 本专题邀请了若干活跃在这一新兴领域的专家撰稿, 重点介绍非平衡和开放量子多体系统相关的最新研究进展. 内容涵盖了非平衡量子磁性与超导、周期驱动的量子动力学、耗散与非厄密系统、可积系统、时间晶体等方向. 我们期待专题中介绍的成果能够加强国内学者在这一领域的交流, 激发读者的兴趣, 吸引更多青年学者和学生加入到这一新兴领域的研究中.
非平衡量子多体系统是一个崭新的研究领域, 其中有大量的未解之谜. 由于其具有强关联和非平衡的双重困难, 人们对这一系统的认知极其有限. 同时, 非平衡量子关联体系的研究范围不局限于某一特定的物理分支, 而是涉及凝聚态物理、原子分子物理和量子光学、量子信息与量子计算、非平衡统计物理等诸多现代物理学的前沿领域. 这些不同体系中涌现出来的非平衡量子关联现象, 既融合了各自体系的不同特征, 又展现出普适的一般规律. 我们期待未来不同学科的物理思想和研究方法在这一领域交叉融合, 碰撞出更为绚丽的火花. 本专题邀请了若干活跃在这一新兴领域的专家撰稿, 重点介绍非平衡和开放量子多体系统相关的最新研究进展. 内容涵盖了非平衡量子磁性与超导、周期驱动的量子动力学、耗散与非厄密系统、可积系统、时间晶体等方向. 我们期待专题中介绍的成果能够加强国内学者在这一领域的交流, 激发读者的兴趣, 吸引更多青年学者和学生加入到这一新兴领域的研究中.
2021, 70 (23): 230310.
doi: 10.7498/aps.70.20211741
摘要 +
非平衡量子关联体系是近年来受到广泛关注的一类新型量子系统, 其研究对象不局限于某一特定的物理分支, 而是涉及凝聚态物理、原子分子物理和量子光学、量子调控与量子计算、非平衡统计物理等诸多现代物理学的前沿领域. 这些不同体系中涌现出来的非平衡量子关联现象, 既融合了各自体系的不同特征, 又展现出普适的一般规律. 由于其新颖性和复杂性, 这类系统中存在大量未知的基本物理问题和新奇的物理现象, 是当前量子科学理论研究的难点和重点. 同时, 由于量子技术的飞速发展, 理解这类复杂系统对于以量子计算和量子调控为代表的新一代量子科学技术的发展具有重要的现实意义. 本文简要总结了近年来本课题组在非平衡量子多体物理方面的几个代表性工作, 着重讨论了与时间相关的对称性(破缺)导致的新的非平衡量子物态, 准粒子及其中的动力学普适行为.
2021, 70 (23): 230308.
doi: 10.7498/aps.70.20211556
摘要 +
非线性相干光谱是一种测量材料非线性光学响应的谱学手段. 相比线性光谱, 非线性相干光谱具有多个时间变量, 能够提供材料的更多信息. 作为非线性相干光谱的代表之一, 二维相干光谱在众多领域取得了丰硕的成果. 在化学、生物学等领域, 二维相干光谱已经展现出相比线性谱学的优越性. 随着太赫兹技术的发展, 二维相干光谱在强关联体系也显现出巨大潜力, 相关的理论与实验工作正在开展. 本文简要概括了强关联体系二维相干光谱的发展现状, 介绍了二维相干光谱的基本概念与理论工具, 分析了二维相干光谱的主要特点, 并重点总结了我们研究组近几年关于强关联体系二维相干光谱的理论研究工作.
2021, 70 (23): 230503.
doi: 10.7498/aps.70.20211723
摘要 +
随着对微纳尺度系统的深入理解和实验技术的进步, 发生在这些小系统中的热输运和能量转换近期吸引了大量研究. 不同于依赖静态热力学力(如温差、电势差等)的非平衡稳态调控手段, 受时间驱动的非平衡非稳态小系统具有特有的高可调性和普遍性, 其研究同时具有基础价值和应用潜力. 本文从几何这一基本概念出发, 分析了热力学几何相(曲率)和热力学距离这两个关键物理量, 以几何的视角展现和分析近期关于受驱动非平衡量子系统中输运调控和能量转换途径的热力学研究. 热力学几何不仅可以看作是这一大类系统中非平凡输运和耗散的本质起源, 也同样给我们提供了一种理论框架, 给出对于系统输运和能量转换的限制, 同时也可以给出慢驱动条件下量子热机性能的通用优化方式. 这将在未来帮助理解非平衡量子多体系统所发挥的能量输运/转换功能, 也会为发现高性能(高效率、高功率、高可靠性)量子热机提供新的设计思路.
2021, 70 (23): 230306.
doi: 10.7498/aps.70.20211687
摘要 +
近些年来, 随着实验技术的进步, 对量子多体系统的耗散控制能力得到了增强, 同时耗散动力学过程表征技术方面的实验也有了较大进展. 实验上的进展驱使我们在理论上建立量子多体系统的耗散动力学计算体系. 最近我们发现, 通过把系统和环境之间的相互作用看成对系统的一个微扰, 可以得到一般性的耗散响应理论. 通过这一响应理论, 可以回答物理可观测量以及熵在耗散下一定时间尺度内的动力学演化的问题. 本文建立了非Markov 环境下的一般理论, 并讨论了何时可以取到 Markov 近似, 同时综述了这种方法在计算强关联体系的耗散动力学、强相互作用开放体系的熵的动力学演化等方面的应用.
2021, 70 (23): 230307.
doi: 10.7498/aps.70.20211908
摘要 +
能带理论是凝聚态物理的基石之一, 其应用范围已延伸至许多其他物理领域. 近年来, 众多非厄米物理问题要求将能带理论推广至非厄米体系. 人们在非厄米拓扑体系的研究中发现, 这一推广需要修改能带理论的若干基本概念. 非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)这一普遍的非厄米现象导致了布洛赫能带图像的失效以及常规体边对应关系的破坏. 在能谱计算与拓扑不变量定义中, 通常的布里渊区概念需要代之以广义布里渊区(generalized Brillouin zone). 非厄米体系的一系列独特现象可以在广义布里渊区下得到精确刻画. 基于广义布里渊区的非厄米能带理论成功描述并预言了非厄米系统的大量新颖现象. 因其相对布洛赫图像的偏离, 这一理论被称为非布洛赫能带理论(non-Bloch band theory). 本文梳理了广义布里渊区和非布洛赫能带理论的主要概念, 并简要介绍了该理论在非厄米体边对应原理、格林函数、波包动力学、手征衰减和非布洛赫宇称-时间对称性等方面的应用.
2021, 70 (23): 230309.
doi: 10.7498/aps.70.20211576
摘要 +
非厄米拓扑系统的拓扑不变量可以由定义在双正交基下的局域拓扑指标刻画. 不同于厄米体系, 非厄米局域拓扑指标在动力学过程中的传播和演化目前还未见文献讨论. 本文研究非厄米拓扑体系局域拓扑指标的动力学特性, 重点关注淬火过程中, 局域拓扑指标由边界向体内的传播. 结果表明, 当淬火前后的体系拓扑性质不同时, 系统中存在局域拓扑指标的流动, 其流速与体系群速度相关, 但具体形式与相应厄米体系不同. 以3个具体模型为例, 通过数值计算说明了这一结论. 其中, 对于特定具有非厄米趋肤效应的模型, 可以发现局域拓扑指标的流速上限与广义布里渊区中的群速度直接相关. 但这一关系在其他非厄米模型中则需要修正, 其更普适的形式有待进一步研究. 本文的结果揭示了非厄米体系中局域拓扑指标传播的复杂性, 是进一步理解非厄米局域拓扑指标动力学行为的基础.
2021, 70 (23): 230504.
doi: 10.7498/aps.70.20211836
摘要 +
本文综述了近年来关于横场伊辛链模型及量子$E_{8}$ 可积模型研究工作的一系列理论及实验进展. 在针对横场伊辛链的研究工作中, 理论上发现格林艾森比率 (热或磁胀系数与比热之比) 在此模型中独特的奇异量子临界行为, 并实质性地扩展了能涌现横场伊辛链普适类的微观模型. 这些理论进展成功地推进了一系列合作实验在准一维反铁磁材料BaCo2V2O8及SrCo2V2O8中首次实现横场伊辛链普适类. 在针对量子$E_{8}$ 可积模型的研究工作中, 理论上严格计算了该系统的低温局域动力学行为及在零转移动量之时的动力学结构因子, 并在动力学结构因子的连续谱区域得到了级联幂次发散的奇性谱边激发. 这些理论进展在结合详细的量子临界标度行为分析及大规模iTEBD数值计算之后, 成功促成了包括太赫兹谱学测量、非弹性中子散射、核磁共振等系列实验, 在BaCo2V2O8中首次实现量子$E_8$ 可积模型. 量子$E_8$ 可积模型的物理实现为在真实材料中研究量子可积系统的物理开拓了新的边界. 这一系列关于横场伊辛链及量子$E_8$ 可积模型的研究进展为量子不可积系统的研究带来了新的契机, 并将启发凝聚态系统、冷原子系统、统计场论和共形场论等相关方向的研究.
2022, 71 (8): 080301.
doi: 10.7498/aps.71.20220360
摘要 +
高保真度的多离子纠缠和量子逻辑门是离子阱量子计算的基础. 在现有的方案中, Mølmer-Sørensen 门是比较成熟的实现多离子纠缠和量子逻辑门的实验方案. 近年来, 还出现了通过设计超快激光脉冲序列, 在Lamb-Dicke区域以外实现超快量子纠缠和量子逻辑门的方案. 这些方案均借助离子链这一多体量子系统的声子能级来耦合离子之间的自旋状态, 并且均通过调制激光脉冲或设计合适的脉冲序列解耦多运动模式, 来提高纠缠门的保真度. 本文从理论和实验层面分析了这些多体量子纠缠和量子逻辑门操作的关键技术, 揭示了离子阱中利用激光场驱动离子链运动态, 通过非平衡过程中的非线性相互作用, 来实现量子逻辑门的基本物理过程.
