多体量子相变的临界行为是量子物理学中最吸引人又最具挑战性的问题之一。近日，北京大学电子学系陈徐宗—周小计教授团队与清华大学物理系胡嘉仲—陈文兰教授团队合作，利用新型光晶格能带映射方法研究从超流体到Mott绝缘体多体量子相变的动力学行为，观察到相同量子临界参数的不同值，这一结果超出了人们对于相变动力学行为描述的普适标度不变律（Kibble-Zurek机制）。该研究成果以“Observation of Many-Body Quantum Phase Transitions beyond the Kibble-Zurek Mechanism”为题发表在《Physical Review Letters》上（Phys. Rev. Lett. 127, 200601 (2021))。北京大学博士生黄琪为第一作者、麻省理工学院博士生姚睿骁为第二作者，通讯作者为北京大学陈徐宗教授和清华大学胡嘉仲教授、陈文兰教授。参与者包括北京大学周小计教授、李定平教授、熊炜助理研究员、北京大学博士生梁力搏、郑钦佩、清华大学博士生王帅。
非平衡物理和动力学行为是现代物理学中的一个重要且具有挑战性的方向。对于相变的动力学行为，人们基于对称性自发破缺的性质进行定性讨论，从而得到了关于相变动力学行为的普适标度不变率，即Kibble-Zurek机制。这种相变的动力学描述方法在很多体系中都获得了验证。然而，随着相变机制的延拓，从传统的热力学相变到量子相变，从对称性自发破缺到无对称性描述的拓扑相变，Kibble-Zurek机制还能不能刻画这些更广泛的相变动力学行为？多体量子相变是否具有更复杂的物理机制？论文利用超冷原子实验平台从一个对称性破缺的量子态出发，进入一个对称性守恒的量子态，对称性变化的方向与传统的相变描述方向正好相反。在该实验中，通过对拓扑缺陷激发数和弛豫时间的独立观察，研究团队发现动力学相变指数在同一系统中得到了不同值。其核心原因在于能隙的打开方式从初始的平方根关系渐变到线性关系，这样使得两种不同相变动力学机制在同一个量子多体系统内产生了竞争，同时能隙的打开保护了早期产生的拓扑缺陷。
图一 改进后的光晶格准动量测量
图二 不同阱深加载速率条件下超流相至Mott绝缘体的非相干比例
这一结果超出了相变动力学行为描述的普适标度不变律（Kibble-Zurek机制）。这项实验进一步证明在多体量子相变中，能隙的改变是影响动力学行为和拓扑缺陷激发的核心因素，为进一步研究量子相变动力学行为创造了新的可能性。该成果获得了国家自然科学基金、科技部、低维量子物理国家重点实验室等部门的经费支持和帮助。
论文网址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.200601?ft=1
