北京理工大學在任意子布洛赫振蕩研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2022-05-05 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組和集成電路與電子學院的孫厚軍教授課題組合作，在基于電路網(wǎng)絡的任意子物態(tài)模擬研究方面取得重要進展,。相關研究成果發(fā)表在近期的Nature Communications上，研究工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發(fā)計劃的資助,。
布洛赫振蕩是指在外力勢場的作用下,，波包周期性振蕩的新奇的現(xiàn)象。其理論模型最早是針對晶體中運動的單電子系統(tǒng)提出的,。布洛赫振蕩的首次實驗觀測是在半導體超晶格中實現(xiàn)的,。事實上，布洛赫振蕩的本質(zhì)是基于波的干涉,。因此,，科學家在各種經(jīng)典波系統(tǒng)中也觀察到了這一新奇的現(xiàn)象。最近研究表明,，不僅在單體電子系統(tǒng),，少體強關聯(lián)量子系統(tǒng)也可以展現(xiàn)新奇的布洛赫振蕩現(xiàn)象，例如強關聯(lián)的雙體-波色子系統(tǒng)可以展現(xiàn)分數(shù)布洛赫振蕩,。這一新奇的效應也在基于光波導的晶格陣列中實現(xiàn),。
我們知道玻色子遵從玻色統(tǒng)計，費米子遵從費米統(tǒng)計,。除了玻色子和費米子,，大約四十年前，科學家提出具有介于玻色子和費米子之間統(tǒng)計關系的準粒子,，被稱為任意子,。具體來講，當交換兩個任意子的空間位置時,，系統(tǒng)波函數(shù)會獲得一個介于0到π的相位,。科學家研究發(fā)現(xiàn)，雙體任意子系統(tǒng)可以展現(xiàn)與統(tǒng)計相關的布洛赫振蕩行為,。雖然理論結(jié)果顯示贗費米子振蕩周期是玻色子的兩倍,，但處于中間統(tǒng)計角(0<統(tǒng)計角<π)的任意子布洛赫振蕩現(xiàn)象還沒有被揭示。更重要的是,，由于問題的復雜性,，有關任意子布洛赫振蕩的實驗觀察還從來沒有實現(xiàn)。
近期,，來自北京理工大學的聯(lián)合研究團隊,，利用經(jīng)典電路平臺，實現(xiàn)了對由任意子量子統(tǒng)計引起的新奇布洛赫振蕩效應的實驗觀測,。首先,，研究人員通過將一維-兩體任意子的本征態(tài)映射到二維單體緊束縛模型的態(tài)空間，來構(gòu)造等效于一維-雙體任意子模型的二維-單體緊束縛模型,。進一步,，通過設計二維電路網(wǎng)絡(如圖1a所示)，使得其相應的本征方程與映射得到的二維緊束縛模型的穩(wěn)態(tài)薛定諤方程形式完全一致,。通過巧妙的設計,，可以使電路網(wǎng)絡的本征頻率展現(xiàn)出量子統(tǒng)計決定的等間距能譜(Wannier-stark ladder),如圖1b和1d所示?？梢园l(fā)現(xiàn),，與雙體-任意子的本征能譜一樣，等間隔的能量分布在統(tǒng)計角為0和π的時候產(chǎn)生,，并且統(tǒng)計角為0時的能量間隔大小為π的兩倍。這表明電路網(wǎng)絡可以展現(xiàn)由有效量子統(tǒng)計決定的雙任意子能譜特性,。值得指出的是, 具有Wannier-stark ladder特性的能譜是引起任意子布洛赫振蕩的本質(zhì)原因,。
圖1. 任意子-電路網(wǎng)絡的設計方案和本征能譜。a和c:等效于一維-雙體任意子模型的二維-單體緊束縛模型及電路設計,。b和d:雙體任意子和相應電路網(wǎng)絡的本征能譜,。
圖2和圖3中的理論仿真和實驗測量進一步驗證了電路網(wǎng)絡的有效性。圖3a顯示的是電路網(wǎng)絡的樣品圖,。首先,，頻域的阻抗測量可以清楚的展現(xiàn)電路網(wǎng)絡的等間距能譜，并且頻率間隔滿足玻色子-電路網(wǎng)絡為贗費米-電路網(wǎng)絡的兩倍(圖2a,2b和圖3b,3c),。時域仿真和測量的結(jié)果進一步展現(xiàn)了由統(tǒng)計決定的布洛赫振蕩現(xiàn)象,，并且與雙體-任意子的一維晶格模型一致。圖2c和2g顯示了仿真結(jié)果中所有電路格點的電壓信號隨時間的演化行為,?？梢郧逦目闯觯诮?jīng)典電路網(wǎng)絡中電壓信號也發(fā)生了周期性振蕩的現(xiàn)象。贗費米-電路網(wǎng)絡的振蕩周期是玻色子-電路網(wǎng)絡的兩倍,。為了更直觀的展現(xiàn)電壓信號的振蕩行為,，圖2b(2e)與2h(2i)分別展現(xiàn)了激發(fā)點電壓的振幅(相位)在不同時刻的空間分布?？梢钥吹?，玻色子-電路網(wǎng)絡中電壓相位的對稱分布與贗費米-電路網(wǎng)絡中電壓相位的反對稱分布與量子統(tǒng)計所決定的波函數(shù)特性一致。相應的實驗結(jié)果展現(xiàn)在圖3d(3e)和3g(3h)中,，其與仿真結(jié)果相吻合,。最后，數(shù)值計算的單格點電壓信號在玻色子-電路網(wǎng)絡(贗費米-電路網(wǎng)絡)的振蕩行為顯示在圖2f(2j),。相應的實驗結(jié)果顯示在圖3f（3i）中,。進一步可以看出，贗費米-電路網(wǎng)絡的振蕩周期是玻色子-電路網(wǎng)絡的兩倍,。實驗中振蕩電壓信號的顯著衰減的是由電路中的損耗引起的,。最后，研究者還在理論上指出,，通過平衡外加勢場和統(tǒng)計角的競爭關系,，具有介于0到π的中間統(tǒng)計角的雙體任意子系統(tǒng)可以展現(xiàn)三倍于雙波色子的振蕩行為。這一新奇的效應,，也可以在電路網(wǎng)絡中得以實現(xiàn),。
相關工作在Nature communications上發(fā)表[Nat Commun 13, 2392 (2022)]。 北京理工大學物理學院博士張蔚暄(現(xiàn)集成電路與電子學院特立博士后)和博士(2020級)袁昊為論文的共同第一作者,。
圖2. 任意子-電路網(wǎng)絡的仿真結(jié)果,。
圖3. 任意子-電路網(wǎng)絡的實驗結(jié)果。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29895-0
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