超冷原子气体的普适规律及非平衡动力学

It is already more than 60 years that the Landau Fermi liquid is successfully used for describing universal quantum fluid behaviour in electronic metals, Kondo impurity, heavy fermions, etc. On the other hand, the Luttinger liquid theory describes universal low energy physics of many-body interacting systems in one dimension. Although Fermi and Luttinger liquids have different dispersions, quantum statistics and densities of states at microscopic level, the macroscopic properties of these quantum liquids are common. It is natural to ask why the macroscopic behaviour of such universal quantum liquids does not depend on the microscopic details? Why the dynamics of non-equilibrium classical and quantum many-body systems near continuous phase transitions satisfies a very general Kibble-Zurek mechanism? However, understanding universal nature of quantum liquids of various types and their intrinsic connection is a long-standing challenging problem in the frontiers of theoretical physics. The aim of this project is to discover the essence of the Fermi and Luttinger liquid as well as universal laws of quantum fluids with high symmetries through the study of quantum fluctuations, many-body correlations, critical dynamics of exactly solvable models of ultracold atoms. Moreover, we will build up an exact scaling theory of quantum critical dynamics through the study of thermalization and quantum dynamics in exactly solvable models of cold atoms. The expected results will extend our understanding of quantum many-body phenomena and pave a way for high precision measurement experiment with ultracold atoms, ions, etc.

朗道费米液体理论已有60年的历史，成功地描述了金属导体、近滕杂质、重费米子等相互作用费米系统的普适量子流体行为。另一方面，拉亭戈液体理论描述了一维多体系统的普适低能物理特性。从微观上他们有着完全不同的色散关系、量子统计及态密度，但是一维和高维量子液体的许多宏观物理特性是相同的。为什么量子液体的普适特性不依赖于系统的微观机制？为什么经典和量子多体系统在连续相变附近的非平衡动力学都服从Kibble-Zurek机制？理解不同量子多体系统的普适现象及之间内在联系一直是前沿物理中极具挑战性的难题。本项目通过研究超冷原子精确解模型的量子涨落、多体关联、临界动力学揭示费米和拉亭戈液体的共同本质；通过研究低维非平衡冷原子系统的量子热化和动力学过程建立量子相变临界动力学的严格标度理论。预期结果将拓展对量子多体现象的理解，并为基于冷原子及离子阱实验的精密测量提供理论参考。

理解不同量子多体系统的普适现象及之间内在联系一直是前沿物理中极具挑战性的难题。本项目系统地研究了量子涨落、热涨落与量子多体普适规律之间的内在联系，并对相应的关联函数、激发谱、临界性等进行了深入研究，深刻揭示了费米液体与拉亭戈液体的共同本质；通过研究低维非平衡冷原子系统的非平衡动力学，解析的得到了特殊条件下量子纠缠演化规律，研究了非平衡输运的标度理论。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）强关联玻色和费米体系的普适规律；2）量子气体和自旋体系的非平衡动力学；3）费米极化子和p波量子流体行为。 针对以上内容，项目负责人及合作者结合理论和实验，首次观测到一维有限温多体玻色子系统在经典气体相和量子液体相之间转变的量子临界性质，并验证了拉亭戈液体的幂指数关联特性；精确得到临界区的标度函数及临界指数，并更正了自旋链系统中界定量子临界区转变温度的理解误区；率先提出了相互作用调控量子液体热机的构想，并发现在量子临界点附近量子热机具有最大功率；首次发现量子液体的热力学量满足可加性规则，揭示了费米液体与拉亭戈液体的共同本质；给出了对自旋电荷分离现象的精确刻画，并首次预言通过动力学关联函数可以从实验上验证奇特的自旋电荷分离现象；利用精确波函数研究了长程相互作用的中心自旋系统的动力学行为和量子纠缠，得到了一维玻色体系的高阶局域、非局域任意多体关联性质，成为该模型标志性工作；提出了玻色极化子中可观测的Efimov三体关联效应。 项目执行过程中，累计发表SCI论文61篇，其中《物理评论快报》5篇，《自然》子刊1篇，《物理评论A/B/R》39篇(其中快讯12篇）。其中三项理论工作已经得到实验证实；一项工作被《物理评论快报》选为编辑推荐文章，并被包括美国物理学会网站在内的4大国际科学网站报道评述。这些研究结果拓展了我们对冷原子和凝聚态物理中的量子多体现象的理解，为原子分子物理实验的进一步发展提供重要的理论指导，已经引起国内外同行的密切关注。