近日，北京師范大學(xué)物理學(xué)系引力與相對(duì)論研究中心張宏寶副教授與國科大田雨團(tuán)隊(duì)以及上海交大蔡子教授、Baggioli副教授合作，借助全息對(duì)偶提出了一種新奇的非平衡量子物態(tài)：時(shí)空超晶體。相關(guān)工作以“Holographic Dissipative Spacetime Supersolids”為題發(fā)表在Physical Review Letters.
對(duì)稱性及其自發(fā)破缺不僅是構(gòu)建基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型不可或缺的觀念，也是描述宇宙早期演化過程中發(fā)生相變的基本語言。特別的，這一觀念與語言在物態(tài)及其相變的研究中也扮演了核心角色。例如，液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過空間平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的自發(fā)破缺來實(shí)現(xiàn)的。而愛因斯坦的狹義相對(duì)論統(tǒng)一了時(shí)間與空間。從某種意義上來說，這意味著時(shí)間維度獲得了與空間維度一樣的地位。于是，一個(gè)自然的問題便是會(huì)否存在一種展現(xiàn)時(shí)間平移對(duì)稱性自發(fā)破缺的物態(tài)。不過，這一問題直到2012年才由諾貝爾獎(jiǎng)得主Wilczek（維爾切克）教授最先提出。他也將這一可能的新物態(tài)命名為“時(shí)間晶體”。
后來人們證明，對(duì)于一個(gè)孤立的量子多體系統(tǒng)，其平衡態(tài)是不可能自發(fā)破缺時(shí)間平移對(duì)稱性的。這使得人們意識(shí)到，時(shí)間晶體只能在開放的量子多體系統(tǒng)的非平衡物態(tài)中生成。而使得一個(gè)量子多體系統(tǒng)處于開放狀態(tài)的一類典型做法是對(duì)其進(jìn)行周期驅(qū)動(dòng)。雖然周期驅(qū)動(dòng)本身顯明地破壞了連續(xù)的時(shí)間平移對(duì)稱性，但是系統(tǒng)本身如果以諸如倍周期的方式作出響應(yīng)，那么由周期驅(qū)動(dòng)所造成的分立的時(shí)間平移對(duì)稱性依然發(fā)生了自發(fā)破缺，由此所生成的新物態(tài)被稱為分立時(shí)間晶體。在被周期驅(qū)動(dòng)的量子多體系統(tǒng)中找尋分立時(shí)間晶體這一非平衡量子物態(tài)業(yè)已成為當(dāng)前量子物理研究的重要前沿。這一領(lǐng)域的一個(gè)自然且核心的問題是如何避免相關(guān)量子多體系統(tǒng)被加熱。如果所涉系統(tǒng)在周期驅(qū)動(dòng)下被加熱，那么這一系統(tǒng)就絕不可能經(jīng)過某一個(gè)時(shí)間段再回到原來的狀態(tài)。因此避免所涉系統(tǒng)被加熱是生成分立時(shí)間晶體的充分條件。除了通過所涉系統(tǒng)自身的多體局域化機(jī)制，另外一種避免所涉系統(tǒng)被加熱的機(jī)制是通過力學(xué)的方式把由周期驅(qū)動(dòng)所注入的能量提取出來。過去人們分別利用這兩種機(jī)制業(yè)已成功地生成了分立時(shí)間晶體。那么還有無第三條途徑去避免所涉系統(tǒng)被加熱，從而也生成分立時(shí)間晶體呢？眾所周知，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處在周圍環(huán)境之中的時(shí)候，這周圍環(huán)境常?？梢猿洚?dāng)一個(gè)大的熱庫。一個(gè)自然的問題是，這樣一個(gè)熱庫有無可能將周期驅(qū)動(dòng)所注入的能量以熱的方式耗散進(jìn)熱庫之中，從而避免所涉系統(tǒng)被加熱?？墒牵捎趯?duì)于非平衡量子多體系統(tǒng)缺少合適的研究手段，人們對(duì)于這一問題的了解極其有限。
圖1.（左圖）全息時(shí)空超固體示意圖；（右圖）周期驅(qū)動(dòng)-熱耗散系統(tǒng)相圖。
針對(duì)這一困難，張宏寶副教授與國科大田雨團(tuán)隊(duì)，以及上海交大蔡子教授、Baggioli副教授合作，將弦論中的全息對(duì)偶方法推廣到上述非平衡量子系統(tǒng)。這一方法的基本思想是將一個(gè)處于熱庫中的強(qiáng)耦合量子多體系統(tǒng)對(duì)偶到一個(gè)高一維的黑洞系統(tǒng)，通過求解這一引力系統(tǒng)在邊界上的漸進(jìn)行為，運(yùn)用AdS/CFT對(duì)應(yīng)，得到相應(yīng)量子多體系統(tǒng)的信息。通過這一方法，他們發(fā)現(xiàn)周期驅(qū)動(dòng)-熱耗散的相互作用系統(tǒng)，可以產(chǎn)生一種新奇的非平衡量子物態(tài)：時(shí)空超晶體。這一量子物態(tài)不僅同時(shí)自發(fā)破壞了時(shí)間和空間平移對(duì)稱性，還破壞了系統(tǒng)內(nèi)稟的U(1)對(duì)稱性。同時(shí)，研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)空平移對(duì)稱同時(shí)被恢復(fù)，達(dá)到一種同步超流態(tài)。隨著溫度繼續(xù)上升，U(1)對(duì)稱性被恢復(fù)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ａ黧w（見圖1）。這一研究表明熱耗散可以有效避免所涉系統(tǒng)被加熱，從而可以在其中生成分立時(shí)間晶體，這為在實(shí)驗(yàn)室中，特別是冷原子體系中制備時(shí)間晶體提供了全新的思路。
該論文第一作者為國科大田雨教授的博士生楊鵬（現(xiàn)為上海交大維爾切克量子中心博士后），北京師范大學(xué)物理學(xué)系引力與相對(duì)論研究中心張宏寶副教授與上海交大蔡子教授、Baggioli副教授以及國科大田雨教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然基金委面上項(xiàng)目，上海市重大項(xiàng)目，上海市面上項(xiàng)目的支持。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.221601
原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/01/24/ccd8fcb669/
-透明背底.png)