近日，精密測量院江開(kāi)軍研究團隊在超冷費米氣體非平衡動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。研究團隊實(shí)驗制備了球形幺正費米氣體，發(fā)現體系在自由飛行過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)演化滿(mǎn)足標度不變性，通過(guò)測量呼吸模式證明體系具有SO(2,1)對稱(chēng)性。該研究成果于2024年6月12日發(fā)表在物理學(xué)權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，同時(shí)被遴選為編輯推薦文章（Editors' Suggestion）。

對稱(chēng)性在物理學(xué)中占據著(zhù)舉足輕重的地位，它不僅彰顯了自然界的基本規律，更成為理解、描述和預測物理現象的關(guān)鍵工具。對稱(chēng)性描述的是物理系統在面對諸如空間坐標變換、時(shí)間反演或內部自由度變換等操作時(shí)，其性質(zhì)仍能維持不變的特性。憑借對稱(chēng)性原理，人們能夠簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解復雜度，更直觀(guān)地理解和預測物理現象。標度不變性（Scale Invariance）是指一個(gè)物理體系在經(jīng)歷空間或時(shí)間尺度的縮放變換后，其內在性質(zhì)或結構保持不變的特性。這種性質(zhì)在物理學(xué)、數學(xué)和天文學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中具有重要的應用和研究?jì)r(jià)值，為探索不同體系的普適規律提供了理論支持。

幺正費米氣體，其s波散射長(cháng)度趨近無(wú)窮大，為標度不變體系。當這種氣體被裝載到一個(gè)各向同性的偶極勢阱中時(shí)，體黏度和剪切黏度對體系自由膨脹過(guò)程的影響會(huì )消失，體系將展現出全方位的標度不變膨脹行為。同時(shí)，對勢阱中的體系而言，其哈密頓量滿(mǎn)足SO(2,1)李代數關(guān)系，這一關(guān)系預示著(zhù)體系將擁有一些獨特的集體激發(fā)模式。研究球形幺正費米氣體的動(dòng)力學(xué)行為對加深理解強關(guān)聯(lián)體系中的非平衡動(dòng)力學(xué)演化很重要，然而，在實(shí)驗上制備這樣的氣體卻頗具挑戰。

為了克服這一難題，研究人員創(chuàng )新性地利用兩束橢圓激光來(lái)構建各向同性的光偶極阱。他們通過(guò)三透鏡系統和PID控制系統對光阱的非球度進(jìn)行了精細的調控，同時(shí)利用特定的梯度磁場(chǎng)來(lái)消除重力的影響。進(jìn)一步地，他們借助磁場(chǎng)Feshbach共振技術(shù)，調控了原子間的相互作用強度，使體系成功進(jìn)入了幺正區域。在成功獲取6Li原子簡(jiǎn)并費米氣體后，他們利用光阱轉移技術(shù)將費米氣體轉移到了各向同性的光偶極阱中，并通過(guò)進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻獲得了超低溫的球形幺正費米氣體。

球形幺正費米氣體示意圖

在自由膨脹實(shí)驗中，研究人員發(fā)現球形幺正費米氣體展現出獨特的標度不變性，這種性質(zhì)不依賴(lài)于方向和溫度條件，是各向異性體系所不具備的。他們進(jìn)行了精確測量，結果顯示體系在不同溫度下的內能和勢能相等，這驗證了幺正費米氣體的維里定理。此外，研究團隊還觀(guān)察了體系的呼吸模式，發(fā)現其振蕩頻率恰好為囚禁頻率的兩倍，并且模式的衰減率極低，這為體系具有SO(2,1)對稱(chēng)性提供了實(shí)驗支持。他們還測量了標度不變性被破壞時(shí)體系的自由膨脹行為，并在BEC-BCS渡越區間獲得了連接化學(xué)勢與原子密度的有效指數，實(shí)驗結果與平均場(chǎng)理論計算定性一致。???????

不同溫度條件下幺正費米氣體的膨脹行為滿(mǎn)足標度不變性

(a)不同溫度條件下幺正費米氣體的自由膨脹行為。作為比對，圖中還顯示了無(wú)相互作用理想氣體的膨脹行為

(b)經(jīng)過(guò)標度變換后，幺正費米氣體和無(wú)相互作用費米氣體的膨脹行為相同

球形幺正費米氣體的呼吸模式振蕩行為

該研究工作揭示了球形幺正費米氣體的標度不變性，并首次對具有SO(2,1)對稱(chēng)性的三維超冷費米氣體進(jìn)行了實(shí)驗研究，為將來(lái)研究具有共形不變性體系的非平衡動(dòng)力學(xué)行為奠定了基礎。

研究成果以“Scale Invariance of a Spherical Unitary Fermi Gas” 為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。精密測量院博士生王璐、博士后嚴祥傳和博士生閔靖為共同第一作者，助理研究員孫大立和研究員江開(kāi)軍為通訊作者。

該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和湖北省等項目的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.243403