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科研進展

精密測量院在一維量子系統調控研究方面獲得新進展

發表日期:2019-10-22来源:武漢物理與數學研究所放大 縮小

  近日,精密測量科學與技術創新研究院管習文研究員量子可積課題組與美國馬薩諸塞大學Adolfo del Campo教授、浙江大學Gentaro Watanabe 教授合作,在一維冷原子系統量子調控研究中取得了新進展,並于1017日在《自然》的共創子刊NPJ:量子信息》(NPJ:Quantum Information)雜志在線發表題爲An interaction-driven many-particle quantum heat engine and its universal behavior 的研究论文, 參見https://www.nature.com/articles/s41534-019-0204-5  

  在該工作中,量子可積研究組及其合作者率先提出了相互作用調控量子熱機的構想,運用精確可解模型以及拉亭戈量子液體理論系統計算了相互作用調控量子熱機的功及熱機效率,發現了在量子臨界點附近量子熱機具有最大的單粒子平均功,並討論了實驗上的實現方案。該工作從理論研究層面揭示了量子動力學系統的普適特性,並爲量子調控和量子氣體的實驗研究提供了有意義的參考。 

  量子熱機是近年來多體量子物理領域的研究熱點問題之一。從理論研究的角度看,傳統的量子統計物理對于極低溫以及極小尺度的量子動力學行爲描述並不完備,作爲其基石的各態遍曆假說遭遇挑戰,這激發了研究者們濃厚的興趣,量子熱機循環作爲典型的量子動力學過程,因此受到了廣泛的關注。從超冷原子實驗的角度看,對于極低溫的實驗系統,其量子效應占據主導,因此對超冷原子進行操控或進一步降溫也必須考慮體系的量子熱效應,而這正是量子熱機的主要研究內容。 

  本工作中,量子可積研究組及其合作者創造性地運用了可積模型以及低維量子場論的研究手段,通過嚴格的計算,分析了由一維接觸相互作用玻色氣體實現的量子熱機循環,得到了熱機效率、功等主要參數的解析表達式。作者針對冷原子物理實驗的特點,提出了通過調控原子之間相互作用強度實現量子熱機循環的構想,理論上證實了相互作用調控可實現和原先人們熟知的磁熱、壓熱效應類似的一種全新的量子熱效應。基于對熱機循環的分析,本工作理論上完全證明了相互作用調控的量子熱機的可實施性,並相應給出了具體的實驗實施方案。 

  圖:a) 效率h、功W和粒子數密度 n的關系 b) 臨界區相圖及其附件的不同量子熱機循環 c)相应的热机循环过程中内能对相互作用强度的变化率。 这里T爲溫度,m爲化學勢,c是相互作用強度

   本工作中,精密測量科學與技術創新研究院量子可積系統研究組的原博士生陳洋洋和助理研究員余毅聰做了主要理論計算工作;管習文研究員與Adolfo del Campo教授是該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金重點專項基金、面上基金及科技部量子調控重點專項的支持。 

   另外,管習文研究員與上海交通大學物理與天文學院的鄒海源博士,美國喬治梅森大學趙二海教授及李政道研究所講席教授劉文勝合作研究了Zig-Zag量子自旋體系中精確可解點與對稱保護拓撲相,該工作得到了國家自然科學基金重點專項基金及科技部量子調控重點專項的支持。其結果發表在 Physical Review Letters, 參見 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.180401     

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