近日，大連理工大學(xué)物理學(xué)院理論物理研究所的金家森課題組在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表題為“一維量子接觸過(guò)程的穩(wěn)態(tài)相變”（Steady-State Phase Transition in One-Dimensional Quantum Contact Process）的論文。第一作者尚琳為理論物理專業(yè)在讀博士生，金家森副教授為唯一通訊作者，大連理工大學(xué)為第一完成單位，香港中文大學(xué)為合作單位。本篇論文是在“十五五”開局之年，學(xué)院在物理領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表的又一項(xiàng)重要成果。
非平衡相變是量子物理、凝聚態(tài)與統(tǒng)計(jì)物理領(lǐng)域的重要研究方向，接觸過(guò)程是非平衡穩(wěn)態(tài)相變中的一個(gè)典型模型，其在模擬流行病動(dòng)力學(xué)、信息擴(kuò)散等過(guò)程中發(fā)揮重要作用。然而，將該模型擴(kuò)展至量子系統(tǒng)時(shí)，由于量子相干演化與耗散之間的相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)呈現(xiàn)許多新奇特性。量子接觸過(guò)程的一個(gè)顯著特征是在一維體系中可表現(xiàn)出從吸收相到活躍相的穩(wěn)態(tài)相變。但是此類相變屬于連續(xù)相變還是非連續(xù)相變?nèi)源嬖谳^大爭(zhēng)議，是該方向的研究焦點(diǎn)。而且該問(wèn)題涉及非幺正演化和復(fù)雜多體作用，具有較大的挑戰(zhàn)性。
圖1：一維量子接觸模型
針對(duì)上述難題，金家森課題組首先通過(guò)計(jì)算熱力學(xué)極限下的劉維爾譜，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)存在亞穩(wěn)性的特征。為避免亞穩(wěn)態(tài)的干擾，課題組創(chuàng)新性地提出了基于有效場(chǎng)的新型自洽條件，進(jìn)而將其應(yīng)用到團(tuán)簇平均場(chǎng)方法中，準(zhǔn)確、有效地捕捉到了系統(tǒng)的真正穩(wěn)態(tài)。基于該方法，金家森課題組不僅通過(guò)展示序參量的鞍結(jié)分岔行為，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)相變的不連續(xù)性提供有力證據(jù)，而且外推出系統(tǒng)在熱力學(xué)極限下的相變點(diǎn)。此外，研究人員還利用連接團(tuán)簇展開方法展示了體系磁化率在相變點(diǎn)附近的收斂性，進(jìn)一步印證了該相變的不連續(xù)性。
本文為研究穩(wěn)態(tài)相變及臨界行為提供了系統(tǒng)性研究方法，為量子系統(tǒng)吸收態(tài)相變提供了關(guān)鍵理論依據(jù)和定量結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)研究提供了重要理論參考。
圖2：不同尺度下劉維爾譜本征值實(shí)部和穩(wěn)態(tài)分支圖
金家森副教授長(zhǎng)期開展開放量子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性質(zhì)研究，以第一/通訊作者在《物理評(píng)論快報(bào)》《物理評(píng)論X》（Physical Review X）等物理學(xué)頂級(jí)期刊發(fā)表論文30余篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，作為第一完成人獲2024年度遼寧省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
我校理論物理研究所包括量子物理和量子信息、高能核物理、粒子物理、引力與宇宙學(xué)等研究方向，致力于相關(guān)領(lǐng)域重要問(wèn)題的研究和基礎(chǔ)物理理論的人才培養(yǎng)。近幾年理論物理研究所已在《物理評(píng)論快報(bào)》《物理評(píng)論X》《自然-通訊》（Nature Communications）《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）等頂級(jí)期刊上發(fā)表多項(xiàng)重要成果。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pxyv-7stl
