北京大学量子材料科学中心刘雄军课题组和南方科技大学俞大鹏院士合作，提出如何在拉曼光晶格中实现和探测非遍历的临界相这一基本量子相，为实现和探测单粒子和多体临界相指明方向。这项研究以“Realization and detection of non-ergodic critical phase in an optical Raman lattice”为题，发表在近期的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 125, 073204 (2020)]。

非遍历临界相示意图

安德森局域是凝聚态物理中的一个基本量子现象，它展示了由无序引起的电子波函数的局域。基于冷原子高可操控性，可在实验中制造出无序[Nature 453, 891 (2008)]和准周期晶格[Nature 453, 895 (2008)]，从而在实验中观测到安德森局域现象。对于一维无序或者准周期系统，如果加上相互作用，会出现多体局域的现象。这一现象最近在理论上被广泛关注，同时在冷原子实验中被观测到[Science 349, 842 (2015)]。除扩展相和局域相（包括安德森局域相和多体局域相）之外，无序系统还存在第三类基本相，称为临界相。类似局域相，临界相也存在于无相互作用和有相互作用的系统中。其中后者称为多体临界相，由刘雄军课题组在最近一篇理论工作提出并证明其存在[arXiv:1910.12080]。临界相的研究对于理解扩展相到局域相的转变具有深刻意义，同时，它在能谱统计、波函数的多分形行为以及动力学演化方面表现出与扩展相和局域相不同的性质。然而，这一基本量子相到目前为止还未被观测到。原因在于，一方面具有临界相的模型很少，已知大多数模型只存在临界点、不存在临界相区域，即使对于个别具有临界相的模型，因其理论条件十分特殊而不存在被实验模拟的可能性；另一方面，如何在实验测量上判断临界相的存在也缺乏研究。

这项工作基于近些年来在理论和实验上发展的拉曼光晶格量子系统。拉曼光晶格的主要思想由刘雄军等从2013年开始的一系列工作中提出，并在近五年来广泛用于冷原子中实现自旋轨道耦合和拓扑物相。该工作提出一个具有准周期塞曼势的一维自旋轨道耦合模型，属于AIII对称类，并证明这个模型的相图有三个相——扩展相、局域相和临界相，且临界相占据相图中一个很宽的区域。在无相互作用情况下，作者提出可通过测量实空间波包动力学或者动量分布的时间演化来测得临界相；而在有相互作用情形下，可以通过量子猝火探测初态的残存率和密度的不平衡分布来测定多体临界相。该工作给出具体实现所提模型的实验细节，为实验实现和探测的非遍历量子临界相指明了方向。

刘雄军为文章通讯作者。量子中心和南方科技大学量子科学与工程研究院王玉成博士后、量子中心张龙博士后为文章共同第一作者。量子中心博士研究生牛森也参与了工作。该研究得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院等资助。