《科學》首次證明：量子物理學中，理論預測與經典對稱性的偏差！

自然界許多現象在動態演化中證明了對稱性，這有助於科學家更好地理解一個系統的內在機制。然而，在量子物理學中，這些對稱性並不總是能得到。在超冷鋰原子的實驗室實驗中，海德堡大學量子動力學中心的研究人員，首次證明了理論預測與經典對稱性的偏差，其研究結果發表在《科學》上。在經典物理學中，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果，同樣的關係在任何尺度不變系統中都成立。

然而，在量子力學的世界裡，量子粒子之間的相互作用可以變得如此強大，以至於這種經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。當氣體被移出平衡狀態時，它開始以一種「呼吸」運動不斷地膨脹和收縮。與經典粒子不同的是，這些量子粒子可以成對結合，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·拉德沃博士領導的研究小組，觀察到了這種偏離經典尺度對稱性的現象，從而直接驗證了這個系統的量子本質。這種效應使人們對石墨烯或超導體等具有類似性質的系統行為有更深入的了解，當被冷卻到一定的臨界溫度以下時，就不會產生電阻。在低溫條件下，具有接觸相互作用的二維(2D)系統預計會表現出量子反常現象——在經典體系中描述這類系統的尺度定律被打破。

這些異常的特徵在二維費米氣體實際空間性質中得到了觀察，但其影響遠沒有理論基礎上預期的那麼明顯。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，然後監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典尺度。量子異常是由於某些經典理論量子化過程中出現的分歧而違反經典尺度對稱性。

雖然它們在多體系統的量子場理論描述中發揮著重要作用，但對實驗觀測結果的影響卻難以識別。在這項研究中，發現了一個獨特表現量子異常動量空間動力學的二維(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出尺度破壞。研究發現，表徵系統中長期相位關聯的冪律指數被量子異常修正，強調了這種影響對二維超流體臨界性質的影響。

博科園｜研究/來自：海德堡大學

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aau4402

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