【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員管習(xí)文量子可積課題組與美國馬薩諸塞大學(xué)教授Adolfo del Campo、浙江大學(xué)教授Gentaro Watanabe合作，在一維冷原子系統(tǒng)量子調(diào)控研究中取得新進(jìn)展，并于10月17日在《自然》的共創(chuàng)子刊《NPJ:量子信息》(NPJ:Quantum Information)雜志在線發(fā)表題為An interaction-driven many-particle quantum heat engine and its universal behavior 的研究論文。
 

　　在該工作中，量子可積研究組及其合作者提出了相互作用調(diào)控量子熱機(jī)的構(gòu)想，運(yùn)用可解模型以及拉亭戈量子液體理論系統(tǒng)計算了相互作用調(diào)控量子熱機(jī)的功及熱機(jī)效率，發(fā)現(xiàn)在量子臨界點(diǎn)附近量子熱機(jī)具有大的單粒子平均功，并討論了實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)方案。該工作從理論研究層面揭示了量子動力學(xué)系統(tǒng)的普適特性，并為量子調(diào)控和量子氣體的實(shí)驗(yàn)研究提供了有意義的參考。
 

　　量子熱機(jī)是近年來多體量子物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一。從理論研究的角度看，傳統(tǒng)的量子統(tǒng)計物理對于極低溫以及極小尺度的量子動力學(xué)行為描述并不完備，作為其基石的各態(tài)遍歷假說遭遇挑戰(zhàn)，這激發(fā)了研究者們濃厚的興趣，量子熱機(jī)循環(huán)作為典型的量子動力學(xué)過程，受到了廣泛關(guān)注。從超冷原子實(shí)驗(yàn)的角度看，對于極低溫的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其量子效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，因此對超冷原子進(jìn)行操控或進(jìn)一步降溫也必須考慮體系的量子熱效應(yīng)，而這正是量子熱機(jī)的主要研究內(nèi)容。
 

　　該工作中，量子可積研究組及其合作者創(chuàng)造性地運(yùn)用了可積模型以及低維量子場論的研究手段，通過嚴(yán)格的計算，分析了由一維接觸相互作用玻色氣體實(shí)現(xiàn)的量子熱機(jī)循環(huán)，得到了熱機(jī)效率、功等主要參數(shù)的解析表達(dá)式。作者針對冷原子物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出了通過調(diào)控原子之間相互作用強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)量子熱機(jī)循環(huán)的構(gòu)想，理論上證實(shí)了相互作用調(diào)控可實(shí)現(xiàn)和原先人們熟知的磁熱、壓熱效應(yīng)類似的一種全新的量子熱效應(yīng)。基于對熱機(jī)循環(huán)的分析，該工作理論上完全證明了相互作用調(diào)控的量子熱機(jī)的可實(shí)施性，并相應(yīng)給出了具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案。
 

　　該工作中，精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院量子可積系統(tǒng)研究組的原博士生陳洋洋和助理研究員余毅聰做了主要理論計算工作；管習(xí)文與Adolfo del Campo是該論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)專項(xiàng)基金、面上基金及科技部量子調(diào)控重點(diǎn)專項(xiàng)的支持。
 

　　另外，管習(xí)文與上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士鄒海源、美國喬治梅森大學(xué)教授趙二海及李政道研究所講席教授劉文勝合作研究了Zig-Zag量子自旋體系中可解點(diǎn)與對稱保護(hù)拓?fù)湎啵摴ぷ鞯玫絿易匀豢茖W(xué)基金重點(diǎn)專項(xiàng)基金及科技部量子調(diào)控重點(diǎn)專項(xiàng)的支持。其結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
 

　　圖：a) 效率h、功W和粒子數(shù)密度 n的關(guān)系 b) 臨界區(qū)相圖及其附件的不同量子熱機(jī)循環(huán) c)相應(yīng)的熱機(jī)循環(huán)過程中內(nèi)能對相互作用強(qiáng)度的變化率。這里T為溫度，m為化學(xué)勢，c是相互作用強(qiáng)度。