精密測量院管習文科研團隊與美國萊斯大學蘭迪·休利特教授和浦晗教授團隊合作，通過囚禁一維超冷費米氣體首次確定性觀測到自旋-電荷分離的奇特現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)該體系中由自旋反向散射（backward scattering）引起的非線性朝永-拉亭戈液體效應(yīng)。相關(guān)研究成果 6月17日發(fā)表在《科學》上。

　　粒子間復雜的相互作用和系統(tǒng)豐富的內(nèi)部自由度通常給系統(tǒng)物理特性的描述帶來巨大挑戰(zhàn)。在一維量子多體物理中，朝永-拉亭戈液體理論通常被用來描述一維多體系統(tǒng)的低能普適行為。一維相互作用費米子的低能激發(fā)通常會分裂成兩支獨立的朝永-拉亭戈液體，它們分別刻畫攜帶自旋和電荷的分數(shù)化準粒子的集體運動，這種現(xiàn)象被稱為自旋-電荷分離，參見圖一。它是一維量子多體物理中獨特的普適規(guī)律。盡管這方面的研究有40多年的歷史，人們也在一維固體材料發(fā)現(xiàn)一些與自旋-電荷分離現(xiàn)象相關(guān)的證據(jù)（evidence），然而對于這種現(xiàn)象至今缺乏確定性（conclusive）的實驗驗證，理論如何表征自旋-電荷分離現(xiàn)象以及相關(guān)實驗的調(diào)控方法都是公認的世界性難題。

　　中美研究團隊自2018年開始合作，通過研究一維相互作用費米氣體楊-高丁模型（Yang-Gaudin model）的精確解，發(fā)現(xiàn)在長波極限下該模型中的電荷自由度的粒子-空穴集體激發(fā)和自旋自由度的分數(shù)化準粒子（自旋子）激發(fā)可完美地形成分離的自旋密度波和電荷密度波，這樣通過布拉格譜可以分別測得自旋和電荷的動力學結(jié)構(gòu)因子（dynamics structure factor（DSF）），該物理量深刻揭示了量子液體中多體關(guān)聯(lián)的本質(zhì)。因此，通過對相關(guān)集體激發(fā)譜的DSF的測量可以實現(xiàn)對自旋-電荷分離現(xiàn)象的確定性驗證，他們的這一理論預(yù)言在2020年率先發(fā)表在《物理評論快報》上（Physical Review Letters 125,190401 (2020)）。

　　 2020年至今，研究團隊進一步合作通過囚禁一維超冷原子實驗成功地驗證了這一重要的量子多體物理的普適規(guī)律。在囚禁的一維超冷6Li費米原子中，他們對電荷DSF的測量選擇了精細能級|1> and |2> (|F = 1, MF = ±1/2)作為自旋態(tài)，2P3/2態(tài)為激發(fā)態(tài)，對自旋DSF的測量選擇了精細能級|1>  and |3> 作為自旋態(tài)，3P3/2態(tài)為激發(fā)態(tài)，參見圖一（A-D）。他們通過布拉格光分別激發(fā)電荷與自旋密度波，并調(diào)控不同相互作用強度測量出其相應(yīng)的電荷和自旋的布拉格譜，參見圖一（E）。在不同相互作用下布拉格譜的峰值給出了相應(yīng)的電荷和自旋的傳播聲速，參見圖二（F）。在理論方面，他們通過復雜的三維粒子數(shù)分布獲得了一維管狀系統(tǒng)中的密度分布，再進一步利用一維相互作用費米氣體楊-高丁模型精確解和朝永-拉亭戈液體理論精確計算了囚禁冷原子電荷與自旋的DSF。考慮了電荷激發(fā)譜中的曲率修正和自旋激發(fā)譜中的反向散射引起的非線性效應(yīng)后，理論與實驗結(jié)果非常吻合。這在國際上首次通過超冷原子實驗驗證了自旋-電荷分離現(xiàn)象的朝永-拉亭戈液體理論，并給出非線性拉亭戈液體理論的有力證據(jù)。本項工作不但展現(xiàn)了量子多體物理中的典范，并且為將來基于原子分子和光物理的精密測量科技提供了新的思想。  

　　相關(guān)研究成果以“具有可控相互作用一維費米氣體中的自旋-電荷分離“Spin-charge separation in a 1D Fermi gas with tunable interactions”為題，發(fā)表在《科學》 (Science)雜志上。在本項工作中管習文科研團隊負責理論計算及分析，管習文與蘭迪·休利特教授為共同通訊作者。

　　該理論工作獲得國家自然科學基金項目及科技部重點研發(fā)計劃的資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abn1719

2022年6月17日《科學》雜志亮點工作介紹配圖