中国科大在非平衡动力学普适性研究方面取得重要进展

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、彭新华教授研究组和清华大学翟荟教授研究组、复旦大学张鹏飞研究员等人合作，通过实验和理论的密切结合，在非平衡量子多体动力学的研究中取得重要进展，揭示了随机相互作用自旋模型中的非平衡动力学普适性行为。相关研究成果以“Emergent Universal Quench Dynamics in Randomly Interacting Spin Models”为题，于10月14日发表于国际著名学术期刊《自然物理》。

非平衡量子多体系统是近年来受到广泛关注的一类新型量子系统，涉及凝聚态物理、原子分子物理、量子信息、非平衡统计物理等诸多前沿领域。但由于其新颖性和复杂性，这类系统中依然存在大量的未解之谜。随着量子信息技术的快速发展，虽然已经在实验中观测到了丰富的非平衡量子多体动力学现象，但是对蕴含在这些复杂物理现象背后起主导作用的物理过程（即普适性）的揭示仍然存在挑战。普适性在量子多体物理中扮演着重要的作用，此前针对普适性的研究大多集中在平衡态附近的低能物理，而针对远离平衡态的动力学过程中普适性的理解还非常不充分，主要的困难来自于非平衡量子多体系统强关联和非平衡的复杂性以及对体系进行高精度量子调控的实验难题。

固态核自旋体系是天然的复杂多体量子体系，通过量子调控技术能够对核自旋体系进行精确控制，从而实现不同的自旋多体模型，这为研究量子多体系统的非平衡动力学提供了自然的、可调控的实验平台。基于团队多年对核自旋体系量子控制与量子模拟方面的技术积累[Nat. Phys. 14, 160-165 (2018)；Sci. Adv. 4, eaar6327 (2018)；Phys. Rev. X 7, 031011 (2017)；Nat.Commun. 12, 6281 (2021)]，研究组通过精心设计高精度的磁共振脉冲序列（如图（b）），对金刚烷粉末的固态核自旋体系（单个晶粒包含10⁹至10¹²个核自旋，如图（a））进行高精度量子控制，利用粉末样品中单个晶粒的晶轴随机性，实验实现了一个相互作用各向异性强度可调的随机相互作用自旋模型。通过调节各向异性强度，清晰观测到该模型中的自旋退极化弛豫动力学过程从单调衰减到振荡衰减的转变现象，这是在以往的实验中未曾观察到的新现象。研究组和清华大学翟荟教授研究组、复旦大学张鹏飞研究员等理论合作者密切合作，通过小尺度严格数值对角化、半经典近似和非平衡场论方法等多种理论方法和实验交叉验证，成功揭示了这一复杂实验现象背后主导的非平衡动力学普适性——即随机相互作用自旋模型中自旋退极化弛豫动力学可以被两个参数普适地描述（如图（c））。这一普适性揭示出主导自旋弛豫动力学的相互作用过程，而这些相互作用过程的贡献恰好可以用两个简单参数描述（如图（d））。

(a)金刚烷粉末样品及其晶体结构。(b)实验流程和脉冲序列。(c)随机相互作用自旋模型中自旋退极化弛豫动力学的普适性行为（数据点描述实验结果，实线描述理论预期）。(d)主导自旋极化弛豫动力学的相互作用过程。

该研究在难以于经典计算机上模拟的量子多体自旋模型中发现了一种新的非平衡量子多体动力学的普适性行为，为利用量子信息技术发现新的物理规律提供了一个很好的例子。另外，实验中所采用的方法和手段也为其他物理体系（如超冷原子分子、NV色心系综等）提供了新的思路与借鉴。该研究对这类复杂系统的理解和量子科学技术的发展具有重要的现实意义，有望引起物理学多个不同领域的广泛兴趣。

中国科大博士生李宇晨、清华大学博士生周天罡和中国科大博士后吴泽为论文共同第一作者，中国科大彭新华教授、清华大学翟荟教授和复旦大学张鹏飞研究员为该文共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02664-0

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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