近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所管習(xí)文研究員與香港中文大學(xué)周琦教授合作，在關(guān)于冷原子量子多體系統(tǒng)中的兩體關(guān)聯(lián)和臨界性的研究中取得了新進(jìn)展，其研究結(jié)果發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

　　量子多體系統(tǒng)是凝聚態(tài)物理學(xué)中極其重要的研究領(lǐng)域，特別是近些年在冷原子的研究方面，美國(guó)的檀時(shí)鈉教授發(fā)現(xiàn)兩體短程關(guān)聯(lián)刻畫(huà)了稀薄冷原子多體系統(tǒng)的普適行為。這種兩體短程關(guān)聯(lián)反應(yīng)了在短距離極限下發(fā)現(xiàn)兩個(gè)冷原子的幾率，現(xiàn)在被稱為T(mén)an Contact。另一方面，量子臨界性是量子多體系統(tǒng)在相變臨界點(diǎn)附近所表現(xiàn)出的集體關(guān)聯(lián)普適規(guī)律。如何理解超流與正常費(fèi)米氣體在相轉(zhuǎn)變溫度附近的Tan Contact 成為該研究的熱點(diǎn)。

　　在這篇《自然·通訊》文章中，他們發(fā)現(xiàn)Tan Contact 的二體短程關(guān)聯(lián)和多體臨界現(xiàn)象之間存在深刻的內(nèi)在關(guān)系。通過(guò)普適的熱力學(xué)微分形式，建立了Tan Contact 與熱力學(xué)量及超流密度之間的直接關(guān)系。此外，他們還發(fā)現(xiàn)Tan Contact 本身可給出連續(xù)量子相變的普適的臨界行為，包括標(biāo)度函數(shù)、動(dòng)力學(xué)臨界指數(shù)、關(guān)聯(lián)函數(shù)臨界指數(shù)、Luttinger流體行為等。這些結(jié)果將拓展 Tan Contact 在冷原子實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量的應(yīng)用。

　　重要的是，他們的理論對(duì)理解最近試驗(yàn)上對(duì)超流與正常費(fèi)米氣體相轉(zhuǎn)變溫度附近的Tan Contact直接提供了定性理解。他們應(yīng)用一維精確可解楊-Gaudin模型完全驗(yàn)證了這些普適的關(guān)系。研究表明，在連續(xù)的經(jīng)典或者量子相變中，Tan Contact的臨界指數(shù)可以表明其所屬的普適類，而其對(duì)密度比值的臨界行為與化學(xué)勢(shì)臨界值密切相關(guān)： 

　　作為一個(gè)典型的例子，他們對(duì)兩組份一維費(fèi)米系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)系統(tǒng)的嚴(yán)格解得到了Tan Contact的普適標(biāo)度規(guī)律，解析證實(shí)了這一結(jié)果。在溫度逐漸降低至臨界區(qū)域附近時(shí)，系統(tǒng)的Tan Contact逐漸趨于一個(gè)常數(shù)（圖），這為實(shí)驗(yàn)上界定一維系統(tǒng)的臨界區(qū)域及理解普適的Luttinger流體行為提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

　　在此工作中，量子課題組的研究生陳洋洋和助研姜玉鑄做了主要理論計(jì)算工作。該研究也得到了國(guó)家“973”項(xiàng)目2012CB922101和國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（N011374331）和（N011304357）的支持。