PDF《超冷原子实验验证量子相变的时空对称性》

研究快讯 ・46卷(2017 年)

3 期图1连续量子相变及拓扑缺陷的产生 (a)当晶格振动较弱时( S < SC ),色散关系只有 一个能量最小值,即系统有唯一的基态(顺磁相).

当晶格振动增强时( S > SC ),从能量 色散关系中可以看到,系统此时有两个简并的基态,它必须从两个等价的基态中做出选 择,导致了自发的对称破缺(铁磁相).区别于传统的顺磁―铁磁相变,我们的自旋态 (↑,↓)为这两个简并的基态( +q* 和-q* );

(b)根据奇博―祖瑞机制,当体系以一定的速度 经过相变,如果通过时间小于系统弛豫时间,系统演化被冻结;

而当通过时间再次大于 弛豫时间时,系统解冻,磁域也随之产生.图中右侧为铁磁化的冷原子凝聚态,红色 (蓝色)代表自旋↑(↓)磁域,分割磁域的畴壁便是相变过程产生的拓扑缺陷.实验中,越 快速增加晶格振动就会越快速地诱发相变发生,而越快速的相变过程会产生更多的畴壁 超冷原子实验验证量子相变的时空对称性 冯磊? (芝加哥大学物理系 美国芝加哥 IL60637) 2016-12-13收到 ? email: leif1@uchicago.edu DOI: 10.7693/wl20170305 当一个物理系统在发生连续相变的时候,微 观尺度的细节不再扮演重要角色,一个宏观尺度 的普适理论原则上可以描述相变的物理现象,无 论此相变发生在什么具体的物理体系中,例如液 氦超流体[1] ,液晶[2] ,生物细胞膜[3] ,超冷原子[4,5] , 甚至于整个宇宙早期的宏观结构[6] .普适性理论 对于描述平衡态物理已经取得相当大的成功.然 而当系统快速通过相变过程的时候,其演化过程 是否也能用一个普适性理论来描述呢? 针对这一问题,奇博(T. Kibble)于1967 年首 先提出了奇博―祖瑞机制.奇博认为宇宙演化初 期大尺度结构是可以由连续相变过程产生的[4] . 而后祖瑞(W. Zurek)于1985 年进一步将此想法推 广至凝聚态系统中,以描述相变过程中拓扑缺陷 的产生[1] .这一理论指出相变过程的时空尺度由 单一参数决定.这个参数就是相变发生的速度, 相变过程发生越快,拓扑缺陷出现越快,且数量 越多.更进一步,拓扑缺陷出现的时间和数量与 相变速度成幂次律. 冷原子体系是研究此类相变的绝佳体系.我 们的实验是先将铯原子玻色―爱因斯坦凝聚置于 一个一维光学晶格中,而后逐渐加强振动这个晶 格(周期往复平移晶格).当振动幅度S超过一个临 界值时,铯原子在晶格中的有效质量变为负数, 凝聚态突然发生一种新奇的类铁磁性量子相变, 如图 1(a)所示.2013 年我们首次发现这种相变伴 随有类铁磁畴壁的产生[7] .在此基础上,我们用 增加振动幅度的速率 S ? 来衡量相变发生的速度, 进一步研究此相变的动态过 程.实验发现,相变过程中畴 壁产生的过程及空间分布显示 了相变演化中物理现象具有唯 一的时间和空间尺度[8] . 根据奇博―祖瑞机制,当 系统以一定速度通过相变点, 并且通过时间小于系统弛豫时 间时,体系的演化被冻结,直 至系统通过时间再次长于系统 弛豫时间(如图1(b)所示).当系 统演化解冻时,拓扑缺陷产生 了.其产生时间tKZ和大小xKZ与 相变速度 S ? 之间具有一个尺度 不变的对称性.幂次律数学形 式为 tKZ∝ S ?- vz

1 + vz , * 美国国家基金会、美国陆军研究室资助项目 ・ ・

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3 期xKZ∝ S ?- v

1 + vz , 这里 z 为动力学临界指数,v 是关联长度临界指 数.最近研究进一步预测,任何可观测量的时空 演化 F(x,t)应该完全取决于 tKZ 和xKZ 这两个奇博 ―祖瑞时空参数,即F( ) x,t;