低维冷原子系统中的Wilson系数和量子临界性

Quantum integrable systems have been playing a significant role in the study of many-body phenomena in cold atoms, spin liquids and correlated electrons.This project aims to apply Yang-Baxter exactly solvable models to understand universal quantum phenomena in ultracold atoms and spin liquids. In view of new developments of ultracold atoms, it will investigate 1) the measurable Wilson ratio for novel quantum states and universal many-body phenomena in one-dimensioanl spin fermionic systems with attactive interactions; 2) quantum criticality, universal scaling functions and correlation functions for low-dimensional large spin fermionic and bosonic systems; 3) the possibility of direct tests of Yang-Baxter integrability, i.e. the nature of non-diffractive and diffractive many-body scatterings in many-body systems. The results obtained will advance our fundamental knowledge in ultracold atoms and condensed matter physics, and thus help current experimental developments in these fields.

量子可积系统理论在研究冷原子，自旋流体和电子关联系统的多体效应方面一直起到至关重要的作用。本研究项目的目的是应用杨-Baxter精确可解模型来研究低维超冷原子和自旋系统中的普适规律。基于冷原子气体最新的进展，拟开展以下几方面的工作: 1）用可测量的Wilson系数来研究一维吸引势下的自旋费米体系的新奇量子态和普适规律；2）研究高自旋费米和波色体系的量子临界现象，普适标度函数和关联函数；3）研究一维超冷原子多体散射问题中的杨－Baxter可积性，即非衍射性与衍射性多体散射的本质区别。这些研究结果将丰富和深化我们对冷原子和凝聚态物理中的量子多体问题的理解并对低维超冷原子实验具有实际的指导意义。

量子可积理论在研究冷原子、自旋流体和电子关联系统的多体效应方面一直起着至关重要的作用。本项目研究的是用精确可解模型来研究低维超冷原子和自旋系统中的普适规律。在项目执行期间，项目负责人及合作者进行了以下几个方面的工作: 1)用可测量的威尔逊系数及其他热力学量来研究一维吸引势下的自旋费米体系的新奇量子态和普适规律；2)研究高自旋费米和玻色体系的量子临界现象，普适标度函数和关联函数；3)研究一维超冷原子散射问题和可积性。针对以上内容，项目负责人及合作者发现威尔逊系数等物理量可以有效的描写拉亭戈液体的量子临界性质，刻画整个相区的量子相变，加深了对量子临界性的理解；发现二体关联Tan Contact在量子临界区具有量子临界性质，得到了其标度函数，深刻揭示了二体关联与多体关联之间的关系；发展新方法，计算了高对称系统的量子临界性质和量子可积系统的高阶关联；通过研究破坏可积性的相互作用，考虑同时具有s和p波相互作用费米体系，发现了p波可以诱导费米系统的巡游铁磁性，并非常可能实验实现。.项目执行过程中,累计发表SCI论文20篇,其中包括《Nature Communications》1篇,《Physical Review Letters》1篇,《Physical Review A/B》快讯4篇，《Nuclear Physics B》1篇。其中与中国科学技术大学潘建伟院士团队合作，通过对光晶格中的超冷原子进行量子调控和测量，结合量子可积系统理论，在国际上首次得到了一维有限温度多体系统在经典气体和量子液体之间转变的量子临界性质，并通过测量其相位关联观测到了拉亭戈液体的幂定律关联特性。该研究成果发表在《Physical Review Letters》，并被选为编辑推荐文章；美国物理学会网刊Physics邀请该领域专家日内瓦大学的Giamarchi教授，以“一维量子材料理论在冷原子和超导体实验中得以验证”为题，在“观点”专栏对这一研究成果做了评述；欧洲物理学会网站Physicsworld以“原子体系和约瑟夫森节模拟一维量子液体”为题报导了该成果。.这些研究结果丰富和深化了我们对冷原子和凝聚态物理中的量子多体问题的理解并对低维超冷原子实验具有实际的指导意义，已经引起国内外同行的密切关注。