我校物理與天文學(xué)院羅樂教授研究團隊在2月20日出版的Nature Communications上以“Observation of parity-time symmetry breaking transitions in a dissipative Floquet system of ultracold atoms（在耗散弗洛凱系統(tǒng)的超冷原子中觀察到宇稱-時間對稱性破缺）”為題報道了世界上首個利用超冷原子體系對宇稱-時間對稱非厄米量子力學(xué)進行量子模擬的實驗（Nature Communications, 10:855, 2019）。羅樂教授和理論合作者印第安納普渡大學(xué)教授Yogesh N Joglekar是共同通訊作者，物理與天文學(xué)院特聘研究員李佳明是該論文的第一作者。
從狄拉克時代起，傳統(tǒng)量子力學(xué)認為一個量子系統(tǒng)的哈密頓量是由希爾伯特空間上定義的厄米算符來描述，從而保證系統(tǒng)能量的確定性和體系幾率守恒。近年，隨著量子力學(xué)研究從封閉系統(tǒng)向開放系統(tǒng)的逐步深入，理論物理學(xué)家發(fā)展了宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量來描述一大類增益和耗散平衡的開放量子系統(tǒng)。在這類體系中，盡管哈密頓量是非厄米的，但是由于其滿足宇稱-時間聯(lián)合反演對稱，因而體系仍然可以有確定的能量和非發(fā)散的幾率。過去曾經(jīng)利用光子晶體、集成光波導(dǎo)等經(jīng)典物理系統(tǒng)對這類宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量進行過模擬，發(fā)現(xiàn)了諸如拓撲能量轉(zhuǎn)移、單方向光傳播、反激光等奇異光學(xué)現(xiàn)象。而實現(xiàn)宇稱-時間對稱的非厄米量子系統(tǒng)，一直是實驗物理學(xué)家孜孜以求的重要目標。這樣的實驗系統(tǒng)對基礎(chǔ)物理和數(shù)學(xué)的發(fā)展有重要意義，可以通過調(diào)控這類系統(tǒng)的哈密頓量，以量子模擬的手段來研究李政道量子場模型、基本粒子標準模型的希格斯部分、真空的不穩(wěn)定性，甚至還可從實驗上實現(xiàn)一類宇稱-時間對稱哈密頓量來證明著名的數(shù)學(xué)難題黎曼猜想。
但是在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)宇稱-時間對稱的非厄米體系的難度極大，需要對量子系統(tǒng)的耗散、相干演化、相互作用進行苛刻的控制。這樣的量子系統(tǒng)非常難于尋找，其中利用激光冷卻與囚禁技術(shù)制備的超冷費米原子簡并氣體是實驗的候選體系之一。費米原子簡并氣體是激光冷卻和囚禁技術(shù)、玻色原子的玻色愛因斯坦凝聚獲得諾貝爾獎之后，冷原子領(lǐng)域第三個具有里程碑意義的工作。羅樂教授早年曾經(jīng)和其博士導(dǎo)師杜克大學(xué)Fritz London講座教授John Thomas一起對費米簡并氣體中實現(xiàn)凝聚和超流的實驗工作做出過奠基性貢獻。近十年來，羅樂教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊長期在國內(nèi)外從事超冷費米原子實驗研究工作，致力于利用超冷費米原子實現(xiàn)開放量子系統(tǒng)的量子模擬。目前的這個實驗，利用周期性共振光脈沖序列導(dǎo)致的自旋依賴布居數(shù)耗散、射頻場耦合下的自旋拉比振蕩、以及Feshbach共振調(diào)制下的相互作用控制，在一個量子系統(tǒng)中同時實現(xiàn)了精密調(diào)控耗散、相干和相互作用三大要素，為實現(xiàn)宇稱-時間對稱的非厄米哈密頓量的量子模擬奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
實驗結(jié)果不僅精確地復(fù)現(xiàn)了在經(jīng)典系統(tǒng)中已經(jīng)觀測到的靜態(tài)哈密頓量的宇稱-時間對稱性破缺，還利用周期性耗散機制發(fā)現(xiàn)了在任意小耗散下的宇稱-時間對稱性破缺，觀察到系統(tǒng)的能量可以在極其微小的耗散下發(fā)生不可逆的發(fā)散。不同于以往靜態(tài)哈密頓量的單參數(shù)相變，周期性耗散驅(qū)動的宇稱-時間對稱性的相圖在頻率的參數(shù)空間實現(xiàn)延拓，在特定的頻率區(qū)間，宇稱-時間對稱性對于耗散有極其敏感的響應(yīng)。這個現(xiàn)象之前只有理論預(yù)言，而羅樂教授小組首次在絕對零度之上500納開爾文的超冷費米氣體中首次觀測到。同時這項工作還發(fā)現(xiàn)了對稱性破缺點附近的慢衰變模式、類比于多光子躍遷的高階PT對稱性破缺等新穎有趣的物理現(xiàn)象。
目前，羅樂教授研究團隊正基于非厄米量子體系研究宇稱-時間對稱哈密頓量的拓撲量子態(tài)轉(zhuǎn)換、耗散下的量子相干態(tài)保持、以及高階奇異點附件的超靈敏能譜響應(yīng)。這些研究將為基于開放量子系統(tǒng)的量子計算和量子精密測量開拓新的前沿。
