合(he)(he)肥(fei)國家(jia)實驗室(shi)/188bet足球彭新(xin)華、杜江峰，合(he)(he)肥(fei)國家(jia)實驗室(shi)/清華大學(xue)翟薈，合(he)(he)肥(fei)國家(jia)實驗室(shi)/復旦大學(xue)張(zhang)鵬飛等人(ren)合(he)(he)作，通過實驗和理論的(de)密切結合(he)(he)，在非平衡量子多體動力學(xue)的(de)研究中(zhong)取得重(zhong)要(yao)進(jin)展(zhan)，揭示(shi)了隨(sui)機相互作用自(zi)旋模(mo)型中(zhong)的(de)非平衡動力學(xue)普適性行為。相關(guan)研究成果于近(jin)日發表(biao)于國際學(xue)術期刊《自(zi)然·物(wu)理》。
非平(ping)(ping)衡量(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)(duo)體系(xi)(xi)統是近(jin)年來(lai)受到(dao)廣(guang)泛關注的(de)(de)一類新型量(liang)子(zi)(zi)系(xi)(xi)統，涉及(ji)凝聚態物(wu)理、原子(zi)(zi)分子(zi)(zi)物(wu)理、量(liang)子(zi)(zi)信(xin)息、非平(ping)(ping)衡統計物(wu)理等諸多(duo)(duo)(duo)前沿領域(yu)。但由于其(qi)新穎(ying)性(xing)(xing)和(he)復雜性(xing)(xing)，這(zhe)類系(xi)(xi)統中(zhong)依然(ran)存在(zai)(zai)大量(liang)的(de)(de)未解之謎。隨著量(liang)子(zi)(zi)信(xin)息技術的(de)(de)快速發(fa)展，雖然(ran)已經在(zai)(zai)實驗(yan)中(zhong)觀測到(dao)了(le)豐富的(de)(de)非平(ping)(ping)衡量(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)(duo)體動(dong)力學現(xian)象(xiang)，但是對(dui)蘊(yun)含在(zai)(zai)這(zhe)些(xie)現(xian)象(xiang)背后起支配作(zuo)用的(de)(de)少數物(wu)理過(guo)程（即普適(shi)性(xing)(xing)）的(de)(de)揭示仍(reng)然(ran)存在(zai)(zai)挑戰。普適(shi)性(xing)(xing)在(zai)(zai)量(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)(duo)體物(wu)理中(zhong)扮演著重(zhong)要(yao)的(de)(de)作(zuo)用，此前針對(dui)普適(shi)性(xing)(xing)的(de)(de)研究大多(duo)(duo)(duo)集中(zhong)在(zai)(zai)平(ping)(ping)衡態附近(jin)的(de)(de)低能物(wu)理，而(er)針對(dui)遠離平(ping)(ping)衡態的(de)(de)動(dong)力學過(guo)程中(zhong)普適(shi)性(xing)(xing)的(de)(de)理解還非常不充分，主(zhu)要(yao)的(de)(de)困難來(lai)自于非平(ping)(ping)衡量(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)(duo)體系(xi)(xi)統強關聯和(he)非平(ping)(ping)衡的(de)(de)復雜性(xing)(xing)以及(ji)對(dui)體系(xi)(xi)進(jin)行高精(jing)度量(liang)子(zi)(zi)調控的(de)(de)實驗(yan)難題。
固(gu)態核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)體(ti)系(xi)是天然的(de)(de)(de)(de)復雜多體(ti)量(liang)子(zi)體(ti)系(xi)，通(tong)過量(liang)子(zi)調控技術(shu)能夠對核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)體(ti)系(xi)進行精確控制，從而(er)實(shi)(shi)現(xian)(xian)不同的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)多體(ti)模(mo)(mo)(mo)型，這(zhe)為研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)量(liang)子(zi)多體(ti)系(xi)統的(de)(de)(de)(de)非(fei)平(ping)(ping)衡動(dong)(dong)(dong)力學(xue)提供(gong)了自(zi)(zi)然的(de)(de)(de)(de)、可調控的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)平(ping)(ping)臺。基于團隊(dui)多年(nian)對核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)體(ti)系(xi)量(liang)子(zi)控制與量(liang)子(zi)模(mo)(mo)(mo)擬(ni)方(fang)面的(de)(de)(de)(de)技術(shu)積累，研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)組通(tong)過精心設(she)計高精度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)磁共振(zhen)脈沖序列（如(ru)(ru)圖b），對金剛(gang)烷粉末的(de)(de)(de)(de)固(gu)態核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)體(ti)系(xi)（單(dan)個(ge)晶粒包含109至1012個(ge)核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)，如(ru)(ru)圖a）進行高精度(du)(du)(du)(du)量(liang)子(zi)控制，利用(yong)(yong)粉末樣品中(zhong)(zhong)單(dan)個(ge)晶粒的(de)(de)(de)(de)晶軸(zhou)隨(sui)(sui)機性，實(shi)(shi)驗(yan)(yan)實(shi)(shi)現(xian)(xian)了一個(ge)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)各(ge)向(xiang)異性強度(du)(du)(du)(du)可調的(de)(de)(de)(de)隨(sui)(sui)機相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)模(mo)(mo)(mo)型。通(tong)過調節各(ge)向(xiang)異性強度(du)(du)(du)(du)，清晰觀測到該(gai)模(mo)(mo)(mo)型中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)退(tui)極化(hua)(hua)(hua)弛豫動(dong)(dong)(dong)力學(xue)過程(cheng)從單(dan)調衰(shuai)減到振(zhen)蕩(dang)衰(shuai)減的(de)(de)(de)(de)轉變(bian)現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)，這(zhe)是在以(yi)(yi)往的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)(zhong)未曾觀察到的(de)(de)(de)(de)新現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)。研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)組和清華大(da)學(xue)翟薈教(jiao)授團隊(dui)、復旦大(da)學(xue)張鵬飛教(jiao)授等理(li)論(lun)合作(zuo)者密(mi)切合作(zuo)，通(tong)過小尺度(du)(du)(du)(du)嚴格數值(zhi)對角化(hua)(hua)(hua)、半經典近似和非(fei)平(ping)(ping)衡場(chang)論(lun)方(fang)法等多種理(li)論(lun)方(fang)法和實(shi)(shi)驗(yan)(yan)交叉驗(yan)(yan)證，成功揭示了實(shi)(shi)驗(yan)(yan)現(xian)(xian)象(xiang)(xiang)背(bei)后主(zhu)導的(de)(de)(de)(de)非(fei)平(ping)(ping)衡動(dong)(dong)(dong)力學(xue)普適(shi)性——即(ji)隨(sui)(sui)機相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)模(mo)(mo)(mo)型中(zhong)(zhong)自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)退(tui)極化(hua)(hua)(hua)弛豫動(dong)(dong)(dong)力學(xue)可以(yi)(yi)被兩個(ge)參數普適(shi)地描(miao)述（如(ru)(ru)圖c）。這(zhe)一普適(shi)性揭示出主(zhu)導自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)弛豫動(dong)(dong)(dong)力學(xue)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)過程(cheng)，而(er)這(zhe)些相(xiang)互(hu)(hu)(hu)作(zuo)用(yong)(yong)過程(cheng)的(de)(de)(de)(de)貢獻恰好可以(yi)(yi)用(yong)(yong)兩個(ge)簡單(dan)參數描(miao)述（如(ru)(ru)圖d）。
(a) 金剛烷粉末樣品及其晶體結構。
(b) 實驗流程和脈沖序列。
(c) 隨機相互作用自旋模型中
自旋退極化弛豫動力學的普適性行為
（數據點描述實驗結果，實線描述理論預期）。
(d) 主導自旋極化弛豫動力學的相互作用過程。
該研(yan)究在難(nan)以于經典(dian)計算(suan)機上(shang)模擬的固態(tai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)體系(xi)統中(zhong)(zhong)發現了一種新(xin)(xin)的非平衡量(liang)(liang)子(zi)(zi)多(duo)(duo)體動力學的普(pu)適(shi)性(xing)行為，為利用量(liang)(liang)子(zi)(zi)信息技術發現新(xin)(xin)的物(wu)理(li)規(gui)律提供了一個(ge)很好的例子(zi)(zi)。另外(wai)，實驗中(zhong)(zhong)所采用的方法和手段也為其(qi)他物(wu)理(li)體系(xi)（如超冷原(yuan)子(zi)(zi)分子(zi)(zi)、NV色心系(xi)綜(zong)等）提供了新(xin)(xin)的思路與借鑒。該研(yan)究對(dui)這類復雜(za)系(xi)統的理(li)解和量(liang)(liang)子(zi)(zi)科學技術的發展具(ju)有(you)重要的現實意義(yi)，有(you)望引起物(wu)理(li)學多(duo)(duo)個(ge)不同領域的廣(guang)泛興(xing)趣。
作者(zhe)：徐(xu)靖(jing) 來(lai)源：人民日(ri)報客(ke)戶端 時間(jian)：2024-10-18
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