自然界許多現(xiàn)象在動態(tài)演化中證明了對稱性，這有助于科學(xué)家更好地理解一個系統(tǒng)的內(nèi)在機制。然而，在量子物理學(xué)中，這些對稱性并不總是能得到。

在超冷鋰原子的實驗室實驗中，海德堡大學(xué)量子動力學(xué)中心的研究人員，首次證明了理論預(yù)測與經(jīng)典對稱性的偏差，其研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》上。在經(jīng)典物理學(xué)中，理想氣體的能量與施加壓力成正比。這是尺度對稱性的直接結(jié)果，同樣的關(guān)系在任何尺度不變系統(tǒng)中都成立。

然而，在量子力學(xué)的世界里，量子粒子之間的相互作用可以變得如此強大，以至于這種經(jīng)典的尺度對稱性不再適用，該研究小組與物理研究所Selim Jochim教授的小組合作。在實驗中，研究人員研究了鋰原子超冷超流體氣體的行為。當(dāng)氣體被移出平衡狀態(tài)時，它開始以一種“呼吸”運動不斷地膨脹和收縮。與經(jīng)典粒子不同的是，這些量子粒子可以成對結(jié)合，因此，超流體被壓縮得越緊，就越硬。

由主要作者普尼特·穆爾蒂博士和尼科羅·拉德沃博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，觀察到了這種偏離經(jīng)典尺度對稱性的現(xiàn)象，從而直接驗證了這個系統(tǒng)的量子本質(zhì)。這種效應(yīng)使人們對石墨烯或超導(dǎo)體等具有類似性質(zhì)的系統(tǒng)行為有更深入的了解，當(dāng)被冷卻到一定的臨界溫度以下時，就不會產(chǎn)生電阻。在低溫條件下，具有接觸相互作用的二維(2D)系統(tǒng)預(yù)計會表現(xiàn)出量子反?，F(xiàn)象——在經(jīng)典體系中描述這類系統(tǒng)的尺度定律被打破。

這些異常的特征在二維費米氣體實際空間性質(zhì)中得到了觀察，但其影響遠沒有理論基礎(chǔ)上預(yù)期的那么明顯。Murthy等人研究了二維費米原子超流體的動量空間分布。他們首先對氣體進行擾動，然后監(jiān)測其原子的動量分布，在原子間強相互作用的情況下，動量分布明顯偏離經(jīng)典尺度。量子異常是由于某些經(jīng)典理論量子化過程中出現(xiàn)的分歧而違反經(jīng)典尺度對稱性。

雖然它們在多體系統(tǒng)的量子場理論描述中發(fā)揮著重要作用，但對實驗觀測結(jié)果的影響卻難以識別。在這項研究中，發(fā)現(xiàn)了一個獨特表現(xiàn)量子異常動量空間動力學(xué)的二維(2D)費米超流體超冷原子。在強相互作用的情況下，超流體在呼吸模式周期中的一對動量分布表現(xiàn)出尺度破壞。研究發(fā)現(xiàn)，表征系統(tǒng)中長期相位關(guān)聯(lián)的冪律指數(shù)被量子異常修正，強調(diào)了這種影響對二維超流體臨界性質(zhì)的影響。

博科園｜研究/來自：海德堡大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aau4402

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