物理科学学院 物理学院

       近日，国科大物理学院田雨教授和博士生杨鹏（现为上海交通大学博士后）与岭南师范学院蓝善权副教授、芬兰赫尔辛基大学博士生李昕（硕士毕业于国科大田雨课题组）、北京师范大学张宏宝副教授合作，不仅首次在数值模拟中发现了涡度为4的量子化涡旋新的分裂模式，而且揭示了分裂模式会因温度变化发生转变。相关工作以“Heating Up Quadruply Quantized Vortices: Splitting Patterns and Dynamical Transitions”为题发表在Physical Review Letters上。

       超流是量子力学一种独特的宏观呈现。而在其中生成的拓扑缺陷——涡旋，其环流（“角动量”）是量子化的，被称之为涡度。因此，诺贝尔奖得主费曼也把量子化涡旋的出现作为判断体系进入超流态的一个基本判据。而它的动力学也一直是超流领域的重要研究内容, 因为其在我们理解量子湍流乃至经典湍流中扮演着基础性的作用。虽然量子涡旋最早在液氦超流中被证实，但是其中的涡旋（线）非常小，难以可视化。四十多年后，人们在玻色-爱因斯坦凝聚冷原子气体中直接观测到了量子化涡旋，其尺度要比液氦中的涡旋（线）大上千倍。这使得冷原子体系成为一个研究量子化涡旋以及量子湍流的绝佳场所。特别地，2002年在冷原子气体中制备出了涡度为2的量子化涡旋，两年后对它的分裂过程进行了研究。后来，冷原子物理学家又制备出了涡度为4的量子化涡旋，并研究了它的分裂过程，发现它呈现了l=2,3的分裂模式，分裂成了4个涡度为1的量子化涡旋（见图1）。可是理论上还存在l=4,5,6的分裂模式（见图1），那么有无任何方式能够在实验上也可以观测到l=4,5,6的分裂模式？这些都是关乎涡度为4的量子化涡旋分裂动力学的重要问题。可是实验室中冷原子体系并不是处于绝对零度的孤立量子多体系统，而是与周围环境所形成的热浴有能量的交换，这样一个有限温度下的量子多体系统其非平衡动力学在传统的理论工具箱中却缺乏有效的工具来进行考察。

       幸运的是，自牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论以后，人们对引力又发生了第三次革命性的认识深化，即引力体系是全息的，它等价于其时空边界上低一维度的量子多体系统，特别是黑洞体系等价于其边界上处于有限温度的量子多体系统，后者的温度就等于黑洞的霍金温度。基于此，国科大田雨团队与合作者将在有限温度下涡度为4的量子涡旋分裂动力学转化为高一维度黑洞背景上的动力学，从而获得了对量子涡旋分裂动力学的完备描述。特别地，他们研究了温度对涡度为4的量子化涡旋的不稳定性和分裂模式的影响，不仅揭示了由温度诱导的两个连续的动力学转变（见图2），也首次在数值模拟中发现了五重和六重旋转对称性的分裂模式（见图3）。相关结果表明l=2,3的分裂模式之所以在冷原子实验中被观测到，是因为所涉冷原子气体的温度极低导致的；另一方面，全息对偶也预言了l=4,5,6的分裂模式是可以通过把冷原子气体加热到高温而被观测到的。更为重要的是，这一研究为后续全息对偶在冷原子物理中的进一步应用打开了前景光明的一扇窗。

       该工作得到了科技部和国家自然基金委的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.221602

图1 量子涡旋的能量正比于其涡度的平方，据此可以计算出只有图中5种分裂方式是可能的，因为其中量子涡旋的能量总和小于涡度为4的量子涡旋的能量。

图2 初始加入随机微扰，三个温度下涡度为4的量子化涡旋的分裂过程。图中显示的是超流凝聚值和相位随时间的变化情况。

图3 初始加入l=5,6的微扰，涡度为4的量子化涡旋的分裂过程。

        近日，国科大物理学院田雨教授和博士生杨鹏（现为上海交通大学博士后）与上海交通大学和北京师范大学的科学家合作，借助全息对偶提出了一种新奇的非平衡量子物态：时空超晶体。相关工作以“Holographic Dissipative Spacetime Supersolids”为题发表在Physical Review Letters上。

        对称性及其自发破缺不仅是构建基本粒子标准模型不可或缺的观念，也是描述宇宙早期演化过程中发生相变的基本语言。特别的，这一观念与语言在物态及其相变的研究中也扮演了核心角色。例如，液态到晶体态的转变是通过空间平移和旋转对称性的自发破缺来实现的。而爱因斯坦的狭义相对论统一了时间与空间。从某种意义上来说，这意味着时间维度获得了与空间维度一样的地位。于是，一个自然的问题便是会否存在一种展现时间平移对称性自发破缺的物态。不过，这一问题直到2012年才由诺贝尔奖得主Wilczek教授最先提出。他也将这一可能的新物态命名为“时间晶体”。

        后来人们证明，对于一个孤立的量子多体系统，其基态是不可能自发破缺时间平移对称性的。这使得人们意识到，时间晶体只能在开放的量子多体系统中生成。而使得一个量子多体系统处于开放状态的一类典型做法是对其进行周期驱动。虽然周期驱动本身将连续的时间平移对称性破坏为分立的，但是系统本身如果以诸如倍周期的方式作出响应，那么由周期驱动所造成的分立的时间平移对称性依然发生了自发破缺，由此所生成的新物态被称为分立时间晶体，而找寻这一非平衡量子物态业已成为当前量子物理研究的重要前沿。该领域一个核心的问题是如何避免相关量子多体系统被加热，因为如果所涉系统在周期驱动下被加热，那么这一系统就不可能经过某一个时间段再回到原来的状态。除了通过所谓的多体局域化机制，另外一种避免所涉系统被加热的机制是通过力学的方式把由周期驱动所注入的能量提取出来。过去人们分别利用这两种机制成功地生成了分立时间晶体。那么还有无第三条途径去避免所涉系统被加热，从而也生成分立时间晶体呢？众所周知，当一个系统处在周围环境之中的时候，这周围环境常常可以充当一个大的热库。一个自然的问题是，这样有无可能将周期驱动所注入的能量以热的方式耗散进热库之中，从而避免所涉系统被加热。可是，由于对耗散量子多体系统缺少合适的研究手段，长期以来人们对于这一问题的了解极其有限。

图1.（左图）AdS黑洞对偶的时空超晶体艺术想象图；（右图）周期驱动-热耗散系统相图。

        针对这一困难，国科大田雨教授团队与上海交大蔡子教授、Baggioli副教授和北师大张宏宝副教授合作，应用弦论中的全息对偶方法来解决上述问题。这一方法的基本思想是将一个耗散量子多体系统对偶到一个高一维的黑洞引力系统，数值求解这一引力系统并利用AdS/CFT对偶字典来得到相应量子多体系统的信息。通过这一方法，他们发现周期驱动-热耗散的相互作用系统，可以产生一种新奇的非平衡量子物态：时空超晶体。这一量子物态不仅同时自发破坏了时间和空间平移对称性，还破坏了系统内禀的U(1)对称性。同时，研究表明，当环境温度上升时，系统的时空平移对称性同时被恢复，达到一种同步超流态。随着温度继续上升，U(1)对称性也被恢复，系统转变为正常流体（见图1）。这一研究表明热耗散可以有效避免所涉系统被无限加热，从而可以在其中生成分立时间晶体，这为在实验室中，特别是冷原子体系中制备时间晶体并研究其性质提供了全新的思路。

        该工作得到了科技部、国家自然基金委和上海市的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.221601

      2023年11月25日9:30， 高年级学生党支部在在玉泉路校区第一会议室召开支部大会，本次会议议程主要包括林晓同志深入高年级学生党支部开展调研、支部讨论接收曲行舟同志为中共预备党员以及学习习近平新时代中国特色社会主义思想。中国科学院大学副校长、校党委委员林晓同志，物理天文核学院党委委员张银同志及支部党员参加本次大会。

      高年级学生支部是林晓同志作为校党委委员对点联络的基层党支部。每年年末，林晓同志都会来到支部参加党员活动并开展调研，与学生党员同志们亲切交流，通过党支部这一窗口了解青年学生们在校科研工作、学习生活等方面对学校工作的建议和诉求。本次活动前，党支部以问卷、谈话等多种方式充分征求了支部党员所在三个学院党员干部和学生群众的意见。

      会议开始，林晓同志首先介绍本次调研的目的，并鼓励与会同志踊跃发言。支部宣传委员刘潇首先汇报了会前群众意见征集情况。随后，同志们依次发言，为学校治理建言献策。

      在同志们发言时，林晓同志认真记录大家提到的事项，不时插话询问细节，并向大家介绍有关政策。林晓表示，同学们在网络保障、食堂建设、班车班次和站点设置、日常办公场地、招聘会的筹办组织等方面提出了自己的诉求，大家提得都很好，可以看出大家都是想把学校建设得更好。学校涉及学生切身利益的工作水平仍与同学们的期待有差距，要持续提升各方面工作能力。后续将向有关部门反馈同学们提到的内容，协调各部门共同出面解决现存的问题。学校十分关心同学们的学习生活，将持续倾听学生意见，畅通双向沟通渠道，努力解决学生急难愁盼问题，切实提升学生幸福感、获得感、安全感，不辜负同学们对学校的期待。

      上午10时许，支部进行讨论接收曲行舟同志为预备党员。本项议程由支部书记张志帆主持。首先，发展对象曲行舟向大会报告自己的情况。他表示，在接受党的培养过程中，通过上党课、自学、与党员交流等方式深入学习党的理论知识，对党的性质和宗旨有了更深刻的认识，更加坚定了入党决心。作为一名新时代青年，应当严格自我要求，肩负起对国家科技自立自强事业的责任。

      随后，入党介绍人吴可凡和刘潇分别发言。他们一致表示，曲行舟同志在自申请入党以来的各培养阶段积极向党组织靠拢，学习和工作成绩优异，能够团结身边的群众，在群众中享有一定威望。他们表示愿意介绍其入党。组织委员吴臻泓代表支委会向大会报告发展对象审查情况。

      在与会党员充分发表意见后，大会通过无记名投票方式进行表决。计票人在经举手表决通过的监票人监督下完成计票工作，并公布计票结果。最后，张志帆宣布，高年级学生党支部关于接收曲行舟同志为预备党员的决议通过！全场响起了热烈的掌声。曲行舟对表决结果进行表态，表示今后将继续认真学习理论，时刻以党员标准严格自我要求，与支部中同志们团结在一起，为支部工作作出自己的贡献。

      张银同志代表学院党委发言。她指出，支委会在党员发展工作中付出了辛勤劳动，支部大会办得非常成功。新入党的同志十分优秀，在各位同志的发言中获得了高度评价，希望今后要时刻向老党员学习，以一名优秀党员的标准更加严格地要求自己。

      最后，支部集体学习习近平新时代中国特色社会主义思想。各党小组代表逐一发言，就党内法规制度、习近平总书记有关科技创新领域的系列重要讲话、《习近平谈治国理政（第四卷）》等方面汇报了分组学习的成果。与会同志进行了深入交流。