Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室、量子科学与精密测量研究院武海斌教授的研究团队在腔内光子诱导长程相互作用的费米原子体系中观测到了系统越过量子相变的准热化行为，研究了领域内长期的争议问题：准稳态寿命的原子标度率问题。该研究成果于2023年12月12日以 "Signatures of Prethermalization in a Quenched Cavity-Mediated Long-Range Interacting Fermi Gas" 为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被编辑推荐为突出亮点工作，Im体育官方版app下载为论文第一完成单位，博士研究生武泽茂为该工作第一作者，武海斌教授为论文的通讯作者。
Im体育官网app武海斌教授团队研究成果在 Physical Review Letters 发表(编辑推荐)
无论是在经典还是量子多体系统中，预测远离平衡态的非平衡动力学行为是最具挑战性的问题之一。对于长程相互作用体系，由于系统的非加性，系统表现出的动力学性质与短程相互作用系统存在着显著差别，也更加复杂，通常会表现出一些新奇的性质，如缓慢弛豫动力学和遍历性破缺等。这些动力学中的一个重要的特征是，当驱离系统远离平衡态，在系统再次建立平衡之前，会存在准静态，并且有较长时间尺度的寿命。超冷量子气体与腔量子电动力学（CQED）相结合的系统，由于腔光子媒介的长程相互作用以及光学腔的耗散通道，会使得该系统在达到非平衡动力学稳态之前表现出准热化行为。本工作对研究费米气体与CQED相耦合系统的非平衡动力学有重要意义，这将会促进很多重要领域的发展，如动态规范耦合，Higgs模式稳定和多体局域化等。
图1：(a)实验装置，(b)量子淬火以及内腔费米超辐射量子相变
图1(a)和图1(b)分别为实验装置示意图和实验采用的淬火方案。一个频率小于费米原子共振频率的激光在横向泵浦光学腔内的超冷费米原子，突然增加泵浦光的功率跃过相变点，驱离系统远离平衡态，通过无损探测内腔光场和原子的动量分布可以研究系统的动力学演化行为。如图2(a)所示，可以看出系统表现出了非常复杂的热化动力学行为，系统的非平衡动力学演化表现出延迟，快速弛豫，长寿命的准静态以及最终的缓慢热化四个阶段。在该演化过程中，系统将经历三个不同的态，如图2(b)所示，自下而上，三个峰分别代表系统处于正常态，预热态和最终的稳态。
图2：(a)内腔光场的动力学演化示意图，插图绿色曲线为理论模拟结果。(b)内腔光场演化的直方图
在长程相互作用多原子系统中，系统处于准静态的寿命将随着系统尺寸的增加而增加，并且与原子数存在着一定的标度率，平均场理论模拟给出τp∝ N1.7的标度关系。对于玻色爱因斯坦凝聚(BEC)与CQED相耦合的系统，相应的理论数值计算并没有发现这一规律。实验上，在超冷费米气体与CQED相耦合的系统，研究了准静态寿命τp对原子数N的依赖关系，如图3所示数据表明两者的依赖关系满足τp∝ N1.53。
图3：系统处于准静态寿命与原子数的依赖关系
本项目受到了国家自然科学基金委重点项目、科技部重点研发计划以及量子信息技术上海市市级科技重大专项、中央高校基本科研业务费的支持。
附：
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.243401
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜史佳妮 编审｜郭文君
