首次出現！科研人員觀測到自旋—電荷分離的奇特現象

　　 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（以下簡稱精密測量院）研究員管習文研究團隊與美國萊斯大學教授蘭迪·休利特和浦晗團隊合作，通過囚禁一維超冷費米氣體首次確定性觀測到自旋—電荷分離的奇特現象，并發現該體系中由自旋反向散射引起的非線性朝永—拉亭戈液體效應。相關研究成果6月17日發表在《科學》上。

《科學》雜志亮點工作介紹配圖 研究團隊供圖

　　自旋—電荷分離現象是一維量子多體物理中獨有的普適規律。人們在這方面的研究有40多年的歷史，也在一維固體材料發現一些與自旋—電荷分離現象相關的證據，但對于這種現象至今缺乏確定性的實驗驗證，理論如何表征自旋—電荷分離現象以及相關實驗的調控方法都是公認的世界性難題。

　　中美研究團隊自2018年開始合作，通過研究一維相互作用費米氣體楊—高丁模型的精確解，發現在長波極限下該模型中的電荷自由度的粒子—空穴集體激發和自旋自由度的分數化準粒子（自旋子）激發可完美地形成分離的自旋密度波和電荷密度波，這樣通過布拉格譜可以分別測得自旋和電荷的動力學結構因子（DSF），該物理量深刻揭示了量子液體中多體關聯的本質。因此，通過對相關集體激發譜的DSF的測量可以實現對自旋—電荷分離現象的確定性驗證，他們的這一理論預言2020年發表在《物理評論快報》上。

　　2020年至今，研究團隊進一步合作通過囚禁一維超冷原子實驗成功地驗證了這一重要的量子多體物理的普適規律，他們分別獨立激發自旋和電荷的密度波，并測量其相互作用依賴的速度。

　　在理論方面，他們通過復雜的三維粒子數分布獲得了一維管狀系統中的密度分布，再進一步利用一維相互作用費米氣體楊—高丁模型精確解和朝永—拉亭戈液體理論精確計算了囚禁冷原子電荷與自旋的DSF。考慮了電荷激發譜中的曲率修正和自旋激發譜中的反向散射引起的非線性效應后，理論與實驗結果非常吻合。

　　這是國際上首次通過超冷原子實驗驗證了自旋—電荷分離現象的朝永—拉亭戈液體理論，并給出非線性拉亭戈液體理論的有力證據。本項工作不但展現了量子多體物理中的典范，并且為將來基于原子分子和光物理的精密測量科技提供了新的思想。

　　在本項工作中管習文科研團隊負責理論計算及分析，管習文與蘭迪·休利特教授為共同通訊作者。

　　該理論工作獲得國家自然科學基金項目及科技部重點研發計劃的資助。