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機制
2020年05月25日 瀏覽次數: 0
清華大學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（Kibble-Zurek）機制推廣到一階量子相變，并實驗觀測到這種廣義的Kibble-Zurek機制。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機制的觀測》）近日在線發表于國際學術期刊《科學•進展》（Science Advances）雜志上。
對于二階量子相變，Kibble-Zurek機制提供了一個統一的理論來描述該系統相變動力學中的通用標度定律，在物理學與宇宙學中有廣泛應用。具體來說，Kibble-Zurek機制預測，通過調控系統參數將系統驅動跨過相變點的過程中，系統會經歷三個階段：絕熱階段，冷凍階段，然后再次進入絕熱階段。根據Kibble-Zurek機制預測，在線性掃描過程中，系統解凍的動力學相變點與線性掃描速度具有冪律標度關系。
與二階相變不同，一階相變在相變點處兩相共存。當系統偏離相變點時，也會有亞穩態的存在，這導致一階相變的標度關系通常不能用傳統的Kibble-Zurek機制描述。段路明教授研究組理論上發現對于一階相變，相關能隙由壓穩態和其相應的第一激發態決定，而非二階相變中的基態和相應的第一激發態決定。這個相關能隙的倒數決定了系統的弛豫時間，從而決定了系統解凍時的參數值。我們將這一機制稱為廣義Kibble-Zurek機制。段路明教授研究組進一步實驗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度關系，發現該實驗結果與廣義Kibble-Zurek機制預測高度吻合（如圖1所示）。該結果為進一步研究一階相變中廣義Kibble-Zurek機制奠定了基礎。
圖：Kibble-Zurek實驗結果
該論文共同第一作者為清華大學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。該項目得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金和清華大學等支持。
論文鏈接：Science Advances 22 May 2020: Vol. 6, no. 21, eaba7292