北京師范大學(xué)物理系郭文安教授和他指導(dǎo)的博士生邵慧與波士頓大學(xué)物理系A(chǔ). W. Sandvik教授合作在4月8日出版的《科學(xué)》上發(fā)表了題為《兩尺度量子臨界性(Quantum criticality with two length scales)》的同行評(píng)議研究論文。
論文內(nèi)容涉及物理學(xué)中非常有趣而重要的相變問(wèn)題。相變是物質(zhì)性質(zhì)的突然轉(zhuǎn)變，是自然界常見(jiàn)的物理現(xiàn)象（比如水結(jié)冰或形成雪花），也是產(chǎn)生新奇物態(tài)（比如沒(méi)有電阻的超導(dǎo)體、沒(méi)有粘滯性可以永遠(yuǎn)流動(dòng)的超流體）的普遍機(jī)制。相變一般由溫度帶來(lái)的熱漲落或不確定導(dǎo)致。但是奇妙的是: 在零溫，量子力學(xué)特有的漲落也可以導(dǎo)致相變，稱為量子相變。
傳統(tǒng)的量子相變理論建立在三位偉大的物理學(xué)家：朗道-金茲堡-威爾遜確立的理論框架上， 并取得了很大的成功。然而，近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)這樣的理論無(wú)法描述一些重要的量子相變，為此在2004年物理學(xué)家發(fā)展了一個(gè)非常復(fù)雜的理論：去禁閉量子臨界理論(Deconfined quantum criticality theory)，其核心是具有分?jǐn)?shù)量子數(shù)的準(zhǔn)粒子的禁閉與去禁閉。這一理論不僅在統(tǒng)計(jì)物理和凝聚態(tài)理論方面有重要意義，也對(duì)人們理解基本粒子物理的夸克禁閉，演生規(guī)范場(chǎng)以及玻色希格斯粒子機(jī)制有重要價(jià)值。理論提出之后在物理學(xué)界廣為關(guān)注。然而，其后大量的研究發(fā)現(xiàn)：具體實(shí)現(xiàn)這一新機(jī)制的幾乎所有模型中都存在違背理論預(yù)期的情況（稱為“標(biāo)度失效”），這導(dǎo)致去禁閉理論受到懷疑, 并引發(fā)了很大的爭(zhēng)議。
邵慧、郭文安和Sandvik的論文通過(guò)數(shù)值模擬直接觀察到分?jǐn)?shù)激發(fā)粒子的去禁閉行為，這是對(duì)去禁閉理論的直接支持。更為重要的是，他們發(fā)展了一個(gè)新的理論，并通過(guò)量子蒙特卡洛模擬證實(shí)了這一理論，從而徹底解決了過(guò)往研究發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。這一工作是對(duì)量子相變理論的重要貢獻(xiàn)，有可能對(duì)多體強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。他們的理論可能在更多具有多尺度的強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用, 甚至幫助解開(kāi)高溫超導(dǎo)問(wèn)題中標(biāo)度行為的謎團(tuán).
郭文安教授和博士生邵慧，合作者Sandvik教授從2014年初開(kāi)始對(duì)去禁閉量子相變開(kāi)展研究。最初的研究目標(biāo)是通過(guò)對(duì)分?jǐn)?shù)激發(fā)準(zhǔn)粒子的直接模擬測(cè)定特定模型的相變點(diǎn)和相關(guān)物理性質(zhì)。利用新引入的‘弦’(string)的方式定義spionon的距離，通過(guò)大規(guī)模的數(shù)值模擬計(jì)算，他們得到了當(dāng)前世界上最好精度的臨界點(diǎn)和相關(guān)指數(shù)。利用這些結(jié)果，他們觀察到了多種不同物理量標(biāo)度行為的內(nèi)在關(guān)系，并得以在2015年年中發(fā)展出了新的標(biāo)度理論，徹底解釋了過(guò)往的標(biāo)度失效疑難。
在論文的同行評(píng)議意見(jiàn)里，有同行認(rèn)為：這一工作為長(zhǎng)期困擾人們的‘標(biāo)度失效’提供了第一個(gè)令人信服的解釋，解決了這一領(lǐng)域的一個(gè)主要問(wèn)題。另一同行表示：這一研究很可能是人們長(zhǎng)期期待的突破，去禁閉臨界理論研究中令人困惑的數(shù)值結(jié)果導(dǎo)致的僵局，被徹底清除了。
圖：去禁閉量子臨界理論的核心是突破了朗道理論中序參量是描述系統(tǒng)的核心變量這一出發(fā)點(diǎn), 代之以分?jǐn)?shù)激發(fā)粒子(spinon)。圖為量子蒙特卡羅模擬中兩個(gè)spinon. 它們的距離在臨界點(diǎn)發(fā)散，標(biāo)志著去禁閉行為的發(fā)生。
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