我校物理與天文學(xué)院羅樂(lè)教授研究團(tuán)隊(duì)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(guān)察到宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺）”為題報(bào)道了世界上首個(gè)利用超冷原子體系對(duì)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)非厄米量子力學(xué)進(jìn)行量子模擬的實(shí)驗(yàn)（Nature Communications, 10:855, 2019）。羅樂(lè)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(shí)代起，傳統(tǒng)量子力學(xué)認(rèn)為一個(gè)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(lái)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(kāi)放系統(tǒng)的逐步深入，理論物理學(xué)家發(fā)展了宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的非厄米哈密頓量來(lái)描述一大類(lèi)增益和耗散平衡的開(kāi)放量子系統(tǒng)。在這類(lèi)體系中，盡管哈密頓量是非厄米的，但是由于其滿(mǎn)足宇稱(chēng)-時(shí)間聯(lián)合反演對(duì)稱(chēng)，因而體系仍然可以有確定的能量和非發(fā)散的幾率。過(guò)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(duì)這類(lèi)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的非厄米哈密頓量進(jìn)行過(guò)模擬，發(fā)現(xiàn)了諸如拓?fù)淠芰哭D(zhuǎn)移、單方向光傳播、反激光等奇異光學(xué)現(xiàn)象。而實(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的非厄米量子系統(tǒng)，一直是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家孜孜以求的重要目標(biāo)。這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)物理和數(shù)學(xué)的發(fā)展有重要意義，可以通過(guò)調(diào)控這類(lèi)系統(tǒng)的哈密頓量，以量子模擬的手段來(lái)研究李政道量子場(chǎng)模型、基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯部分、真空的不穩(wěn)定性，甚至還可從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)一類(lèi)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量來(lái)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(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的非厄米體系的難度極大，需要對(duì)量子系統(tǒng)的耗散、相干演化、相互作用進(jìn)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(fèi)米原子簡(jiǎn)并氣體是實(shí)驗(yàn)的候選體系之一。費(fèi)米原子簡(jiǎn)并氣體是激光冷卻和囚禁技術(shù)、玻色原子的玻色愛(ài)因斯坦凝聚獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，冷原子領(lǐng)域第三個(gè)具有里程碑意義的工作。羅樂(lè)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(duì)費(fèi)米簡(jiǎn)并氣體中實(shí)現(xiàn)凝聚和超流的實(shí)驗(yàn)工作做出過(guò)奠基性貢獻(xiàn)。近十年來(lái)，羅樂(lè)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在國(guó)內(nèi)外從事超冷費(fèi)米原子實(shí)驗(yàn)研究工作，致力于利用超冷費(fèi)米原子實(shí)現(xiàn)開(kāi)放量子系統(tǒng)的量子模擬。目前的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用周期性共振光脈沖序列導(dǎo)致的自旋依賴(lài)布居數(shù)耗散、射頻場(chǎng)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(gè)量子系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精密調(diào)控耗散、相干和相互作用三大要素，為實(shí)現(xiàn)宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的非厄米哈密頓量的量子模擬奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)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(guān)測(cè)到的靜態(tài)哈密頓量的宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺，還利用周期性耗散機(jī)制發(fā)現(xiàn)了在任意小耗散下的宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性破缺，觀(guān)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(dòng)的宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性的相圖在頻率的參數(shù)空間實(shí)現(xiàn)延拓，在特定的頻率區(qū)間，宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性對(duì)于耗散有極其敏感的響應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象之前只有理論預(yù)言，而羅樂(lè)教授小組首次在絕對(duì)零度之上500納開(kāi)爾文的超冷費(fèi)米氣體中首次觀(guān)測(cè)到。同時(shí)這項(xiàng)工作還發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)性破缺點(diǎn)附近的慢衰變模式、類(lèi)比于多光子躍遷的高階PT對(duì)稱(chēng)性破缺等新穎有趣的物理現(xiàn)象。
目前，羅樂(lè)教授研究團(tuán)隊(duì)正基于非厄米量子體系研究宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)哈密頓量的拓?fù)淞孔討B(tài)轉(zhuǎn)換、耗散下的量子相干態(tài)保持、以及高階奇異點(diǎn)附件的超靈敏能譜響應(yīng)。這些研究將為基于開(kāi)放量子系統(tǒng)的量子計(jì)算和量子精密測(cè)量開(kāi)拓新的前沿。
