物理学家在随机相互作用的自旋模型中发现普遍的非平衡量子动力​​学

一项新研究揭示了随机相互作用自旋模型中远离平衡态的普适动力学，补充了低能平衡态物理中公认的普适性。这项研究最近发表在《自然物理》杂志上，是中国科学技术大学杜江峰教授和彭新华教授领导的研究小组与清华大学翟晖教授和复旦大学张鹏飞博士理论小组合作的成果。

量子多体系统中的非平衡动力学是现代量子科学技术发展的核心，近年来人们发现了丰富的现象，特别是在超冷原子、超导量子比特、捕获离子、NV 中心和 NMR 系统等合成量子平台中。

然而，尽管量子非平衡动力学现象丰富，但其背后仍然缺乏简单而普遍的规则。非平衡动力学通常涉及超出传统低能普适性的高激发态。

非平衡动力学中是否也会出现普适行为，是量子多体物理领域的前沿问题。其主要困难来自于非平衡多体系统的强关联性和复杂性，以及高精度量子控制这些系统的实验挑战。

固态核自旋体系是一种天然复杂的多体量子系统，可通过量子调控技术进行精确控制，从而实现各种多体自旋模型，为研究量子多体系统的非平衡动力学提供了天然、可调的实验平台。

研究人员利用多年在核自旋系统量子控制和量子模拟方面的专业知识，设计了脉冲序列来高精度控制金刚烷(C 10 H 16)粉末(每个颗粒约含 10 9至 10 12 个分子)中的1 H 核自旋，并实现了具有可调各向异性参数的随机相互作用自旋模型。随机性源于不同颗粒中晶格轴与静磁场之间的随机取向。

随后研究人员观察到一种新现象：自旋去极化动力学随着各向异性参数的变化呈现出明显的从单调衰减到振荡衰减的转变。他们发现自旋去极化动力学的行为可以用两个参数来普遍描述。通过将实验观测结果与几种不同的理论方法进行比较，研究人员对这种非平衡量子多体动力学给出了全面的理论解释。

这项研究发现了量子多体系统非平衡动力学中一种新型的普适性，而这种普适性在传统计算机上很难模拟，是利用量子信息技术发现新物理定律的绝佳范例。

此外，实验中使用的方法和技术为其他物理系统(如超冷原子或分子和 NV 中心集合)提供了新的见解。这项研究大大增强了对此类复杂系统的理解，可能会引发物理学各个领域的广泛兴趣。

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