张煜然教授在一维晶格规范理论中的量子多体刻痕态合作研究方面取得进展

华南理工大学物理与光电学院

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时间：2024-09-04 编辑：物理与光电学院

统计力学在描观热平衡述宏物理系统的性质与规律上取得了巨大的成功，然而统计力学是否能描述微观量子系统动力学一直有争议。本征态热化假说（Eigenstate thermalization hypothesis，ETH）是一系列研究平衡统计力学适用于描述和解释微观量子多体系统“热化”与本征态遍历行为（Ergodicity）的理论。在本征态热化假说被提出之后，如何找到违反量子多体系统的本征态遍历性的物理现象成为了量子物理学的热点问题。目前有两类本征态热化的强违反机制被提出，即系统的可积性（Integrability）与量子多体局域（Quantum many-body localization，MBL）。这两种强违反机制中，大多数非平衡初态都违反本征态热化假说。此外，也有一种称为预热化（Prethermalization）的本征态热化弱违反机制被提出。最近有实验和理论工作表明，在一些特定的不可积量子多体系统中也存在一种新型的本征态热化违反机制，称为量子多体刻痕态（Quantum many-body scars），见图1。因为量子多体刻痕态的存在数量远远小于系统本征态的数目，因此是一种本征态热化的弱违反现象。

图1. (a) 大部分初态满足本征态热化假说。(b) 少部分初态体现出以固定频率震荡的动力学行为，违反本征态热化假说。(c) 系统能谱，红圈内的量子多体刻痕态的鞥普呈塔楼形。

近日，张煜然教授与日本理化学研究所的合作者研究了一维晶格规范理论（1D lattice gauge theory）中的量子多体刻痕态，并从介子（Meson）准激发（粒子-反粒子束缚态）的角度研究了该量子多体刻痕态。该研究指出了一维晶格规范理论中同时存在介子类（Mesonic）与非介子类（Nonmesonic）的量子多体刻痕态，预言了两类量子多体刻痕相的临界转变，并给出了在量子模拟平台上可以观测的实验方案。该工作的创新性在于：不同于主流的基于准粒子理论描述量子多体刻痕态的研究方法，提出不稳定的非介子量子多体刻痕态的存在仍然可以导致不可积量子多体系统遍历性的弱违反，这极大地扩展了人们对晶格规范理论中量子多体刻痕态的理解。

图2. (a) 介子类（Mesonic）与非介子类（Nonmesonic）量子多体刻痕相的临界转变。(b) 介子类量子多体刻痕叠加态动力学。(c) 非介子类量子多体刻痕叠加态动力学。

相关成果以“Nonmesonic Quantum Many-Body Scars in a 1D Lattice Gauge Theory”为题发表于物理学顶级期刊Physical Review Letters，日本理化学研究所葛自勇博士为第一作者，张煜然教授为第一通讯作者，日本理化学研究所 FrancoNori 教授为共同通讯作者。该工作得到了华南理工大学“双一流”建设等项目的支持。