中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在里德堡原子開放系統(tǒng)的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組與諾丁漢大學(xué)李偉斌教授、華東師范大學(xué)白正陽副研究員、英國杜倫大學(xué)的Charles S. Adams教授合作，在里德堡原子開放體系觀察到了遍歷性破缺現(xiàn)象。相關(guān)成果3月1日以“Ergodicity breaking from Rydberg clusters in a driven-dissipative many-body system”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上。

物理系統(tǒng)通常由于遍歷性（ergodicity）會(huì)弛豫到平衡態(tài)，進(jìn)而可觀測量隨時(shí)間不再變化，可觀察量在相空間中會(huì)快速尋找新的固定點(diǎn)。但也會(huì)有例外情況出現(xiàn)，例如，在可積和多體局域化系統(tǒng)中，破缺的遍歷性可以抑制系統(tǒng)平衡和熱化。研究遍歷性破缺對金融網(wǎng)絡(luò)中的市場崩塌和恢復(fù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的大腦癲癇、以及復(fù)雜系統(tǒng)臨界躍遷的預(yù)警等行為具有一定啟示和參考。里德堡原子具有長程相互作用，可作為理想的多體系統(tǒng)研究非遍歷動(dòng)力學(xué)行為。在驅(qū)動(dòng)耗散的里德堡原子系統(tǒng)中，系統(tǒng)會(huì)由于里德堡原子的聚集出現(xiàn)非平衡的長時(shí)間震蕩相，如圖1所示。

圖1 物理示意圖，（A）為開放系統(tǒng)，（B）為遍歷性相的空間均勻分布，（C）為其相空間，不同初態(tài)將弛豫到同一固定點(diǎn)，發(fā)生熱化。（D）為弱遍歷性破缺相的空間分布，空間中里德堡原子由于相互作用發(fā)生聚集。（E）為其相應(yīng)的相空間，相空間中出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)解（極限環(huán)），對應(yīng)于長時(shí)間振蕩的末態(tài)。

丁冬生等人通過雙光子激發(fā)室溫下的里德堡原子，實(shí)驗(yàn)中觀察了強(qiáng)相互作用里德堡原子氣體中的非遍歷多體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。該現(xiàn)象是由激光相干驅(qū)動(dòng)、里德堡原子相互作用和耗散共同影響。他們通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，觀察到了非平衡相變，其中出現(xiàn)了遍歷相和弱非遍歷相之間的分岔，如圖2所示。遍歷相中的原子分布均勻，而弱非遍歷相中的里德堡態(tài)粒子數(shù)顯示出非平凡的振蕩。他們觀察到了持續(xù)毫秒級的長時(shí)間多體集體振蕩，這種振蕩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相關(guān)耗散的時(shí)間尺度。分析表明，這種遍歷性破缺是由于強(qiáng)相互作用的里德堡原子在自由空間中的聚集引起的。

圖2 非平衡相圖和遍歷破缺相變，（A）改變信號(hào)光拉比頻率和控制光失諧下的相圖，（B-D）不同信號(hào)光強(qiáng)度下的透射光譜，（E）觀察到的多體非遍歷態(tài)的時(shí)間流，（F）(E)中標(biāo)記區(qū)域的放大圖。黑色曲線是擬合曲線。

中科大丁冬生教授、華東師大白正陽副研究員、中科大博士研究生劉宗凱共同為本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授、英國諾丁漢大學(xué)的李偉斌教授、英國杜倫大學(xué)C.S.Adams為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院、安徽省重大科技專項(xiàng)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl5893

（中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）