本站訊（通訊員 餘金龍）近日，365英国上市官网在线、理論物理研究中心的吳玲娜教授與德國柏林工業大學、德國凱澤斯勞滕-蘭道大學的科研人員合作，在國際權威期刊Nature Communications上發表了題為“開放量子系統在弛豫過程中展現時間臨界标度(Indication of critical scaling in time during the relaxation of an open quantum system)”的學術文章[Ling-Na Wu, Jens Nettersheim, et al.Nature Communications 15,1714 (2024)]。

在物理學的奇妙世界裡，存在着一種令人着迷的現象：當物理系統接近其連續相變點時，會出現一種普遍遵循幂律的标度行為。這種标度行為通過一系列關鍵的臨界指數來揭示，這些指數能夠捕捉系統在面對溫度或外部場等連續變化的控制參數時所展現的非凡特性。更引人入勝的是，這種普适的标度行為不僅限于平衡狀态，它同樣适用于孤立量子系統在經曆淬滅過程（系統從一種狀态迅速變化到另一種狀态）後的非平衡動力學現象，其中時間扮演了控制參數的角色。

這種普适性引發了一個自然的問題：在與環境耦合的開放量子系統中，是否也存在這種普适的标度行為？本研究給出了肯定的答案。在這篇結合理論與實驗的論文中，研究團隊深入探讨了開放量子系統在弛豫過程中的時間臨界标度現象。他們巧妙地構建了一個由單個铯原子的自旋構成的系統，這些自旋通過自旋交換過程與一個超冷铷原子氣體耗散性地耦合在一起。通過精确測量铯原子自旋分布，團隊研究了系統的熵随時間的演化(圖1左圖)。由于實驗系統的尺寸受限，他們通過數值模拟計算對系統的熵動力學進行了有限尺寸的标度分析（圖1右圖）。這一分析揭示了在熱力學極限下存在一個時間上的臨界點，在這個臨界點上，系統的特征長度發生發散，而這種發散過程可以由一個不受系統具體參數影響的臨界指數精确描述，從而展現了自然界中普适規律的深遠影響。

圖1：（左）單個大自旋的铯原子（含7個自旋分量）處于铷原子池中，通過自旋交換激活铯原子自旋的非平衡動力學演化；系統的熵随時間的演化會出現一個峰值——此時系統達到一個最大混合态：系統的密度矩陣是7個自旋态的等權重非相幹疊加，對應的熵為ln7。（右）系統的熵及特征長度随着等效逆溫度（定義為熵相對于平均能量的變化率）的變化情況，展現出特征長度随系統尺寸的發散行為；通過有限尺度标度分析，作者們發現了描述特征長度随等效逆溫度發散的普适幂律标度行為，其臨界指數為1。

該論文是一篇理論-實驗合作工作，吳玲娜教授和凱澤斯勞滕-蘭道大學的Jens Nettersheim博士是論文的共同第一作者，柏林工業大學的André Eckardt教授和凱澤斯勞滕-蘭道大學的Artur Widera教授是論文的共同通訊作者。

期刊簡介：

Nature Communications是自然出版集團于2010年上線的科學期刊，該刊物經同行評審，文章在線上供開放獲取；期刊涵蓋的範圍有物理、化學、生物、醫學、地球科學等多個領域。該期刊為中國科學院分區一區TOP期刊，最新影響因子為16.6。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46054-9