量子杂质系统中的新奇量子态研究

The quantum impurity systems are one of fundamental problems in condensed matter and related fields of physics, which have uncovered many important concepts and physics, for example, the Kondo effect and coherence and decoherence in quantum dissipative systems. In this project, combining with the experiments and accurate numerical methods like density matrix renormalization group and numerical renormalization group, we study the influence of the different environment or bath on the Kondo effect, and expect to further uncover possible novel quantum states. On the one hand, we consider fermionic environment or bath, such as the conventional s-wave superconductor, and study the nature of the Kondo screening and its relations with the Andreev bound states, Yu-Shiba-Rusinov states, and the BCS singlet. Furthermore, we discuss its difference with the Majorana bound states. On the other hand, we consider bosonic environment or bath, and apply the polaron concept to the spin-boson model and its related ones. According to the intrinsic relationship of the anisotropic Kondo model and the spin-boson model, we make an attempt to extend the polaron concept to the fiedl of the Kondo physics, which can be helpful to the understanding of the Kondo screening cloud. Our results can further deepen our understanding on the Kondo physics and are helpful to control these novel quantum states to find some possible applications in the future.

量子杂质系统是凝聚态物理及相关学科领域研究的基本问题之一，揭示了许多重要的概念和物理，如近藤效应和量子耗散系统中的相干与退相干性质。本项目在量子杂质系统的框架下，结合实验和精确的数值方法如密度矩阵重正化群和数值重正化群等，研究不同的环境或库对近藤效应的影响，揭示其中的新奇量子态。一方面，考虑费米子环境或库，如传统的s-波超导体，研究近藤屏蔽的本质及其与Andreev束缚态、Yu-Shiba-Rusinov态以及超导单态的关系与相互影响，并讨论与Majorana束缚态可能的联系与差别。在另一方面，考虑玻色子环境或库，使用极化子变分波函数研究自旋-玻色子模型及相关模型，根据各向异性近藤模型与描述量子耗散系统的自旋-玻色子模型的内在联系，尝试将极化子概念引入到近藤物理研究领域，期望对近藤屏蔽云的理解有所帮助。研究成果能够加深对近藤物理的理解，有助于推动这些新奇量子态的操控和潜在的应用。

量子杂质系统是由一个少体系统和一个环境组成的复合系统。对这一系统的研究能够在一些基本的物理问题上获得更加深刻的理解，并且对微观状态的量子调控的应用具有重要意义。其中最为著名的量子杂质问题是Kondo问题，它描述一个局域磁矩在自由电子气中，通过电子之间的量子关联和相位相干，局域磁矩被传导电子所屏蔽。这一问题是强关联物理的基本问题，对它的研究能够让我们更加深入地去理解强关联物理的基本性质。广义地来说，杂质这一少体系统可以是自旋这样的局域磁矩，也可以是与1/2自旋相对应的二能级系统。这一少体系统所处的环境可以是费米型的，也可以是玻色型的，或者两者兼而有之。这一项目的研究工作，主要从这两个方面同时着手，一方面研究了费米子环境下Kondo物理中的各种能量尺度相互竞争产生的新奇的量子态，另一方面，从玻色型环境入手，研究了与Kondo模型低能等价的量子Rabi模型。.本项目取得的研究成果有：1）研究了同时与正常电极和超导电极相连接的量子点，其出现与Andreev束缚态合作屏蔽局域杂质，产生了增强的Kondo单态；当有力学振动产生的声子辅助隧穿时，出现分离的Kondo边带。2）在自旋轨道耦合下借助Yu-Shiba-Rusinov束缚态产生Kondo屏蔽；以及Kondo效应在拓扑Weyl费米子和Majorana费米子环境中的新奇性质。3）不同能量尺度和Kondo温度竞争时，出现的电流、热电流、自旋流等输运性质。4）Ko你都格点模型中的新奇量子态以及光电导现象。5）各项异性量子Rabi模型中的相变和标度函数。6）极化子概念和变分波函数方法在量子Rabi模型中的应用。.本项目执行期间，已经发表相关论文45篇，包括Physical Review Letters两篇（其中一篇被编辑推荐为高亮文章），Nature Communication一篇，Physical Review B快讯两篇。