中國科技大學(xué)教授潘建偉及其同事苑震生等與中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員管習(xí)文研究組合作，通過對光晶格中的超冷原子進(jìn)行量子調(diào)控和測量，結(jié)合量子可積系統(tǒng)理論，在國際上首次得到了一維有限溫多體系統(tǒng)在經(jīng)典氣體和量子液體之間轉(zhuǎn)變的量子臨界性質(zhì)，并通過測量其相位關(guān)聯(lián)觀測到了拉亭杰液體的冪定律關(guān)聯(lián)特性，在低維量子多體系統(tǒng)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。該研究成果近日發(fā)表在物理評論快報上，并被選為編輯推薦文章。美國物理學(xué)會網(wǎng)刊Physics邀請該領(lǐng)域?qū)＜胰諆?nèi)瓦大學(xué)教授Giamarchi，以“一維量子材料理論在冷原子和超導(dǎo)體實驗中得以驗證”為題，對這一研究成果作了評述。歐洲物理學(xué)會網(wǎng)站Physicsworld“以原子體系和約瑟夫森節(jié)模擬一維量子液體”為題報導(dǎo)了該成果。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 實驗設(shè)置和密度標(biāo)定

（a）由一排管組成的1D系統(tǒng)

（b）不同溫度下重新標(biāo)定密度

圖2 TLL的驗證

（a）聲速測量

（b）1D氣體的動量曲線

【研究內(nèi)容】

一維量子系統(tǒng)的研究涉及納米線、納米管到線型冷原子陣列等一系列物理材料，這些材料有望應(yīng)用于納米光電技術(shù)、傳感技術(shù)、能源技術(shù)以及量子信息處理等領(lǐng)域。在一維量子系統(tǒng)的理論研究中，2016年諾貝爾物理學(xué)獎得主Haldane及其合作者在上世紀(jì)80年代作出了開創(chuàng)性的工作，他們建立了被稱為朝永－拉亭杰液體（TLL）的理論。這一理論抓住了一維體系特有的整體激發(fā)特征，預(yù)言了低溫下一維體系的超導(dǎo)性、贗長程序、自旋電荷分離等一系列物理特性。同時，量子多體相變具有豐富的量子臨界現(xiàn)象，是近年來低溫物理研究的前沿問題。然而，在實驗上制備和調(diào)控一維量子系統(tǒng)難度極大，觀測TTL理論所預(yù)言的物理特性及一維量子臨界現(xiàn)象長期以來是凝聚態(tài)物理和冷原子物理實驗中的重大挑戰(zhàn)。

針對這一懸而未決的重要基礎(chǔ)物理問題，在實驗上，該聯(lián)合研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地搭建了新的實驗系統(tǒng)，開發(fā)了獨特的量子調(diào)控技術(shù)，通過產(chǎn)生均勻冷原子勢阱巧妙地制備了一維超冷原子系綜；通過高分辨原位成像技術(shù)精確地測量了一維原子線密度；通過產(chǎn)生密度缺陷之后觀測系統(tǒng)的聲子傳播獲得了拉亭杰指數(shù)；引入原子再聚焦方法測量了原子動量空間分布，并首次實驗觀測了TLL特有的性質(zhì)——關(guān)聯(lián)函數(shù)隨著距離按照冪指數(shù)衰減。在理論上，研究人員使用量子可積系統(tǒng)的Yang－Yang方法給出該模型的量子液體和臨界行為（該方法由楊振寧和楊振平在1969年理論推導(dǎo)得出），通過對實驗觀測的原子密度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取了體系壓強(qiáng)、熵密度、比熱和壓縮率等熱力學(xué)量，推導(dǎo)出其遵循的普適規(guī)律；通過比熱的雙峰結(jié)構(gòu)首次用實驗數(shù)據(jù)明確地定出了相圖上經(jīng)典氣體、量子臨界區(qū)和TLL三個區(qū)域（如右圖）。

該工作實驗和理論結(jié)合，多個實驗證據(jù)之間相互印證，充分證明了拉亭杰液體的存在，提供了研究低維量子系統(tǒng)的新實驗方法，將推動低維量子模擬領(lǐng)域的研究進(jìn)展。該工作得到了審稿人的高度評價：“這是一個高質(zhì)量的、里程碑式的一維物理系統(tǒng)研究工作，不僅局限在超冷量子氣體中，而將在其它物理體系中具有廣泛的應(yīng)用價值。”

研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、教育部、中科院等的資助。