研究人員在相干多體系統中發現動態量子相變

近期，來自德國和奧地利的幾個機構的研究小組已經研究出一種方法，可以直接觀察相干多體系統中的動態量子相變。相關實驗論文已經發表在《物理評論快報》上，研究小組在論文中詳細描述了如何創建一個獨特的超冷環境，並能在其中觀察量子相變。

在肉眼可見的宏觀世界中，相變是一種非常常見的物理現象。比如水變成冰。多數情況下相變的原因都是溫度變化引起的。但是，物理學家們也非常清楚，能量的變化也可能會導致相變。這是由海森堡不確定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle)所決定的。為了用實驗來驗證這種相變，研究人員通常得讓溫度下降到接近絕對零度，以防止熱波動造成的影響。只有在這樣的實驗環境中，時間才會成為主要的相變因素。

早在2013年，一些理論物理學家就指出，演化運算元(evolution operator)和配分函數(partition function)之間似乎有相似之處。這些理論物理學家證明了在絕熱量子系統的演變過程中，時間的作用相當於熱平衡系統中的溫度倒數。他們的計算表明，量子系統應該能夠經歷與相變相似的狀態變化。而在這一次的新研究中，研究人員通過創建一個改進的橫場伊辛模型(Ising model)，並且控制在超冷環境中離子的自旋，證明了這一理論的真實性。

具體而言，這一團隊在溫度接近絕對零度的冷凍機中使用磁場捕獲了10個鈣-40離子串。首先，離子的自旋被設定為相同的方向。隨後，研究人員隨機地改變任意一個離子的自旋狀態，打破系統的平衡，並觀察會發生什麼——理論上來說，預測的結果應該是隨著時間的推移，所有離子的自旋狀態都會再次保持一致。研究團隊報告說，離子自旋恢復一致的時間點和預測的時間是一樣的，證明了這個理論是正確的。

我們有理由相信，這一理論的確認將加深人們對量子物質（微觀粒子）行為和相變的理解。

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