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物理科学与技术学院罗洪刚教授课题组在各向异性量子拉比(Rabi)模型量子相变研究取得进展

日期: 2017-12-01 点击: ...
   

  量子拉比(Rabi)模型是美国物理学家I. I. Rabi(1944年诺贝尔物理学奖获得者)在1936-1937年提出的,描述光和物质相互作用的最简单的模型,包括一个两能级系统与单模的耦合。该模型在凝聚态物理、冷原子、量子光学以及各种量子系统中具有广泛的应用。尽管这个模型简单,精确求解可是一件困难的事。1963年,该模型在弱耦合情况下的简化版本,即Jaynes-Cummings(J-C)模型被提出,被广泛使用于量子光学中。J-C模型可精确求解,是量子光学的基本模型。

  最近十来年,人们对量子拉比模型的研究越来越关注。原因有两个,一是最近这些年量子信息及量子计算科学的发展需要精确处理和控制量子比特(一个二能级系统,是最基本的处理单元);二是随着现代技术的发展,人们已在实验室制备出各种系统如超导电路、腔QED、离子阱等模拟量子拉比模型,而且耦合强度达到深强区域。在这些强耦合区域,J-C模型失效,人们必须精确理解量子拉比模型本身的物理。2011年,德国物理学家Braak指出量子拉比模型是可积的,并精确得到所有能谱的解析表达式。这是该模型在数学物理领域的重要进展,进一步刺激了相关的实验和理论工作,是目前物理学基础研究最活跃的领域之一。但是,该模型的物理内涵仍然挖掘不够。

  相变是凝聚态物理研究最重要的前沿课题之一,涉及物质世界各种物态的存在以及之间的转变的物理,是理解物质世界形态的最基本研究领域。通常的相变是研究热力学极限下宏观物质状态的转变。但是,最近的研究表明对量子拉比模型或它的近似版本J-C模型,类似的量子相变仍然可以发生。因此,对此类少分量系统相变的物理仍然需要进一步的理解。

  物理学院罗洪刚教授课题组结合课题研究需要,2013年开始带领博士后和学生进入该研究领域,联合北京计算科学研究中心、中科院理论物理研究所、意大利CNR-SPIN研究所与Salerno大学等单位同行共同研究,不断取得进展,如提出光子数依赖的变分方法,在整个耦合区域求解量子拉比模型[New J. Phys. 17, 043001 (2015)],提出重整极化子图像获得量子拉比模型的基本相图[Phys. Rev. A 92, 053823 (2015)],并应用到非对称量子拉比模型的求解[J. Phys. A: Math. Theor. 50 (2017) 084003],提出频率重正的多极化子展开方法精确求解量子拉比模型的波函数[Phys. Rev. A 95, 063803 (2017)]等。

  近期,他们继续研究各向异性量子拉比模型的量子相变。利用解析和数值方法,他们获得了模型的基本相图、标度函数、临界指数等决定量子相变普适性的物理量。同时,他们也第一次获得了J-C模型普适的,不连续的标度函数。此外,该普适性也扩展到二能级数目N大于1,即迪克(Dicke)模型的情况,表明迪克模型中发现的超辐射相变的本质与量子拉比模型中的量子相变是一样的,极大地推动了对这类模型本质物理的理解。相关结果发表在Phys. Rev. Lett. 119, 220601 (2017)上,并被编辑部推荐为亮点文章 (Editors' Suggestion,见新闻背景)。

  该工作由北京计算科学研究中心刘卯鑫博士、Stefano Chesi研究员、应祖建副研究员(访问学者)、林海青研究员,中国科学院理论物理研究所陈晓松研究员和兰州大学罗洪刚教授共同完成。其中,Stefano Chesi和罗洪刚是共同通讯作者,刘卯鑫为罗洪刚和林海青合作指导的博士后。这些工作的完成,是兰州大学“理论物理交流平台”加强对外交流合作,提升科研水平的又一重要进展(见新闻背景)。

  该工作得到国家自然科学基金(11604009, 11574025, 11325417, 11674139, 1121403),National Scholastic Athletics Foundation (U1530401)和欧洲项目Future and Emerging Technologies program 618083 (CNTQC)资助。

新闻背景:

  美国《物理评论快报》(PRL)杂志是物理学专业顶级杂志,编辑部在所有接受发表的文章中选出特别重要,有趣,而且写作很好的文章作为亮点文章报道。所选出的文章的下载量和引用通常是平均水平文章的两倍,这些亮点文章也更经常被选为封面文章。通常,六篇接受发表的文章才选出一篇亮点文章。PRL亮点文章见https://journals.aps.org/prl/highlights

  兰州大学“理论物理交流平台”成立于2010年,秉承“请进来、走出去”的理念,加强与国内外兄弟单位的合作与交流,得到国家自然科学基金理论物理专款和学校的持续滚动支持。近年来,平台鼓励与校外单位,特别是东部高校和研究所深度交流,在人才培养、项目申请、科学研究等方面进一步合作,在科研成果方面成果显著。据统计, 2013年以来,平台教师在《物理评论快报》等物理学顶级期刊上发表论文10余篇,其中有一半是合作成果,凸现了合作交流的直接带动作用,达到了建设“理论物理交流平台”的目的。

文章地址:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.220601#fulltext

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编辑:程一珍
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