中國科技大學觀測到里德堡原子多體遍歷性破缺

中國科大郭光燦院士團隊在里德堡原子開放系統(tǒng)的研究中取得重要進展。該團隊史保森、丁冬生課題組與諾丁漢大學李偉斌教授、華東師范大學白正陽副研究員、英國杜倫大學的Charles S. Adams教授合作，在里德堡原子開放體系觀察到了遍歷性破缺現(xiàn)象。相關(guān)成果3月1日以“Ergodicity breaking from Rydberg clusters in a driven-dissipative many-body system”為題發(fā)表在國際知名學術(shù)期刊《Science Advances》上。

物理系統(tǒng)通常由于遍歷性（ergodicity）會弛豫到平衡態(tài)，進而可觀測量隨時間不再變化，可觀察量在相空間中會快速尋找新的固定點。但也會有例外情況出現(xiàn)，例如，在可積和多體局域化系統(tǒng)中，破缺的遍歷性可以抑制系統(tǒng)平衡和熱化。研究遍歷性破缺對金融網(wǎng)絡(luò)中的市場崩塌和恢復、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的大腦癲癇、以及復雜系統(tǒng)臨界躍遷的預警等行為具有一定啟示和參考。里德堡原子具有長程相互作用，可作為理想的多體系統(tǒng)研究非遍歷動力學行為。在驅(qū)動耗散的里德堡原子系統(tǒng)中，系統(tǒng)會由于里德堡原子的聚集出現(xiàn)非平衡的長時間震蕩相，如圖1所示。

圖1 物理示意圖，（A）為開放系統(tǒng)，（B）為遍歷性相的空間均勻分布，（C）為其相空間，不同初態(tài)將弛豫到同一固定點，發(fā)生熱化。（D）為弱遍歷性破缺相的空間分布，空間中里德堡原子由于相互作用發(fā)生聚集。（E）為其相應的相空間，相空間中出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)解（極限環(huán)），對應于長時間振蕩的末態(tài)。

丁冬生等人通過雙光子激發(fā)室溫下的里德堡原子，實驗中觀察了強相互作用里德堡原子氣體中的非遍歷多體動力學現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由激光相干驅(qū)動、里德堡原子相互作用和耗散共同影響。他們通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，觀察到了非平衡相變，其中出現(xiàn)了遍歷相和弱非遍歷相之間的分岔，如圖2所示。遍歷相中的原子分布均勻，而弱非遍歷相中的里德堡態(tài)粒子數(shù)顯示出非平凡的振蕩。他們觀察到了持續(xù)毫秒級的長時間多體集體振蕩，這種振蕩遠遠超過了相關(guān)耗散的時間尺度。分析表明，這種遍歷性破缺是由于強相互作用的里德堡原子在自由空間中的聚集引起的。

圖2 非平衡相圖和遍歷破缺相變，（A）改變信號光拉比頻率和控制光失諧下的相圖，（B-D）不同信號光強度下的透射光譜，（E）觀察到的多體非遍歷態(tài)的時間流，（F）(E)中標記區(qū)域的放大圖。黑色曲線是擬合曲線。