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　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在里德堡原子研究方向取得重要進(jìn)展：該實(shí)驗(yàn)室教授史保森、丁冬生與英國杜倫大學(xué)合作，實(shí)現(xiàn)了基于里德堡原子的多體自組織模擬，主要研究成果4月29日發(fā)表在《物理評(píng)論X》。 

　　自然界有很多現(xiàn)象本質(zhì)上遵循多體物理的演化規(guī)律，比如大樹如何生長(zhǎng)、晶體如何自發(fā)生成、病毒細(xì)胞如何積聚并最終發(fā)展成病毒體以及通過社會(huì)網(wǎng)絡(luò)交互性感染人類等。這些由于多體相互作用產(chǎn)生的新物態(tài)服從一種自組織規(guī)律。自組織是指混沌系統(tǒng)在隨機(jī)識(shí)別時(shí)形成耗散結(jié)構(gòu)的過程，它廣泛存在于自然界中，比如物理學(xué)中的相變和自發(fā)對(duì)稱性破缺現(xiàn)象、化學(xué)中分子自組裝和自催化網(wǎng)絡(luò)、生物學(xué)中蛋白質(zhì)的自發(fā)折疊和動(dòng)物的集群行為等。一個(gè)特別有趣和重要的現(xiàn)象是自組織臨界行為：系統(tǒng)被吸引到一個(gè)臨界點(diǎn)，在這個(gè)臨界點(diǎn)上，系統(tǒng)的行為發(fā)生了巨大的變化。自組織臨界是自然界中許多復(fù)雜性例子的核心，例如森林火災(zāi)和病毒的傳播等等。因此，研究自組織臨界對(duì)于模擬自然界復(fù)雜的多體問題具有重要的意義。

　　相較于稀薄的原子氣體，里德堡原子系綜中的原子之間相互作用要強(qiáng)得多，高極化率使得原子之間的偶極相互作用可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米。強(qiáng)的相互作用使得人們可以在室溫條件下的原子系綜中觀察到非平衡相變現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)粒子數(shù)布局法探測(cè)基于里德堡原子非平衡相變的精度在幾百兆赫的數(shù)量級(jí)。史保森、丁冬生及其合作者提出了一種新的探測(cè)方法：通過里德堡原子的電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)來觀測(cè)非平衡相變。相比于傳統(tǒng)方法將頻率分辨率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步，他們測(cè)出了完整的相圖，同時(shí)觀測(cè)了臨界點(diǎn)附近的動(dòng)力學(xué)行為，并揭示出以前沒有被觀察到的在弱驅(qū)動(dòng)光條件下的光學(xué)響應(yīng)和非平衡動(dòng)力學(xué)中的時(shí)域譜特性。

　　當(dāng)一個(gè)相互作用范圍內(nèi)的平均里德堡原子數(shù)量達(dá)到臨界值時(shí)，相變就會(huì)發(fā)生，系統(tǒng)就會(huì)從單體無相互作用相（NI-phase）到多體相互作用相（I-phase）渡越，反之亦然。由于測(cè)量的靈敏度在兆赫量級(jí)，他們可以探測(cè)臨界點(diǎn)附近系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化行為，并且發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的演化服從冪指數(shù)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和森林火災(zāi)模型所預(yù)測(cè)的一樣，這給研究多體動(dòng)力學(xué)中的基本物理開辟了新的道路。

　　該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這可能是迄今為止研究里德堡氣體中雙穩(wěn)態(tài)行為最系統(tǒng)詳深入的報(bào)道”，“他們的研究結(jié)果不僅對(duì)里德堡研究領(lǐng)域甚至對(duì)其他領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生很大的影響力”；“在我看來，本文的技術(shù)水平非常高，第一次精確地刻畫了里德堡體系的相圖”。

　　相關(guān)論文信息：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.021023