量子相变@郭文安
️量子相变-郭文安团队
本期PRL选手是北京师范大学的郭文安。他本科和硕士毕业于兰州大学，硕士导师是汪志诚教授（著名教材《热力学和统计物理》的作者），博士毕业于北京师范大学，导师是杨展如教授（著名教材《分形物理学》的作者），后在荷兰Delft理工大学做过博士后，合作导师是Henk W. J. Bloete教授，1999年回国在北京师范大学物理学系任职，2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划"。现任北京师范大学物理学系教授，意大利国际理论物理中心(ICTP) Junior Associate, 北京师范大学科学计算中心专家。他长期从事相变与临界现象的研究，主要关注️低维系统的量子与经典相变，️光晶格中冷原子的量子相变和️玻色-爱因斯坦凝聚相关问题，近年来尤其注重️量子多体系统，特别是️量子自旋系统、️Bose-Hubbard系统的新奇量子态和️“非朗道”量子相变的研究，研究手段包括️重整化群及标度理论，量子与经典️蒙特卡罗模拟，️数值转移矩阵方法等，迄今为止已经在在Science, Nature communications, PRL等学术期刊发表论文100多篇（包括PRL11篇）。
郭文安团队PRL历程
郭文安的关键词之一是️量子相变。相变是物质性质的突然转变。它是自然界常见的物理现象（比如水结冰或形成雪花），也是产生新奇物态（比如超导、超流体）的普遍机制。相变一般由温度带来的️热涨落导致，但是奇妙的是在零温下，️量子涨落也会诱发物质在不同量子态之间的相变，这种由量子效应而非热效应主导的相变被称为量子相变。
探索️强关联多体系统的新奇量子态是凝聚态物理和统计物理的重要研究内容, 量子相变是获得新奇多体量子态的重要物理机制。在没有无序的情况下，光晶格里相互作用️玻色子的基态可以是没有能隙的️超流态，或有能隙的️莫特绝缘态。调整玻色子之间的相互作用，系统可以发生这两个基态间的量子相变。引入无序后，系统可以有第三种基态：绝缘同时没有能隙的️量子玻璃态。长期以来人们认为格点无序势的玻色系统只能存在可压缩的量子玻璃态，即️玻色玻璃态。通过对密度ρ=1的格点无序玻色系统的大规模量子蒙特卡罗模拟，郭文安团队与合作者发现莫特和超流相之间存在️不可压缩的莫特玻璃态。通过渗流机制，他们对莫特玻璃态的温度行为作出了合理解释。进一步，根据动力学临界指数的计算，从️临界理论角度获得了莫特玻璃态存在的证据，该成果以️Anomalous Quantum Glass of Bosons in a Random Potential in Two Dimensions为题发表在PRL上。
量子相变示意图（图片来自网络）
传统相变的理论解释可以由️朗道-金兹堡模型来提供，量子相变本来发生在零温下，与热涨落无关，但是威尔逊洞察了二者之间内在的关联，通过量子力学的️路径积分表示，将量子相变理论建立在朗道-金兹堡模型基础上，并取得了很大的成功，被称为️朗道-金兹堡-威尔逊框架。然而，这样的理论无法描述一些重要的量子相变，比如发生在两个不同有序态之间的连续相变，为此，人们发展了️解禁闭量子临界性理论(Deconfined quantum criticality theory)，其核心是具有️分数量子数的️准粒子的解禁闭。这一理论不仅在统计物理和凝聚态理论方面有重要意义，也对人们理解夸克禁闭，演生规范场以及玻色希格斯粒子机制有重要价值。然而，大量的研究发现：具体实现这一新机制的几乎所有模型中，都存在违背️基本标度律的现象，这导致解禁闭机制受到怀疑, 并引发了很大的争议。郭文安团队和合作者通过数值模拟直接观察到分数激发粒子的解禁闭行为，更为重要的是，他们提出了新的含有️两个尺度的标度理论，并通过️量子蒙特卡罗模拟证实了这一标度理论，从而彻底解决了过往研究发现的标度困难。这个发现可能在更多具有多尺度的强关联系统中应用，甚至帮助解开高温超导问题中标度行为的谜团。该成果以️Quantum criticality with two length scales为题发表在Science上。
量子相变相图示意（图片来自网络）
️量子自旋霍尔（QSH）绝缘体的发现将拓扑带到了凝聚态物理前沿。QSH可以理解为由破缺了SU(2)对称性的自旋轨道耦合导致。这一新奇物态能否通过对称性的️自发破缺机制自然产生是一个非常有趣的多体物理问题。另一方面如前面提到的，️解禁闭量子临界性是二维系统中一个超越朗道范式的相变新机制：一个相中禁闭的拓扑缺陷携带着另一个相的‘荷’，其增殖并凝聚导致两个破缺不同对称性的相之间发生️连续相变。然而，之前实现该相变机制的️晶格模型中️拓扑缺陷并不守恒, 这虽然不改变相变的性质，但是会改变有序相的性质，使得系统在关联长度之外还有第二个发散的尺度，并带来非常复杂的️有限尺寸标度行为，引发了长期的争论。郭文安团队和合作者提出了一个能够通过对称的自发破缺产生量子自旋霍尔态并实现单尺度解禁闭量子相变的️相互作用费米子模型，通过大规模量子蒙特卡罗模拟和有限尺寸标度分析他们证实，增大单一参量，模型可以实现从狄拉克半金属到QSH态和从QSH态到S波超导态(SC)两个连续相变。前者属于O(3)Gross-Neveu普适类，后者系携带2e电荷的拓扑缺陷增殖破坏QSH态，并凝聚产生S波超导。这是一个单尺度解禁闭量子相变，其物理机制是模型的拓扑缺陷守恒，从而避免了导致第二个发散尺度的️单极子出现。该成果以️Superconductivity from the Condensation of Topological Defects in a Quantum Spin-Hall Insulator为题发表在Nature Communications上。
J-Q3模型是️解禁闭量子临界性理论相关的一个模型，在分离二维J-Q3模型的Néel反铁磁和价键固态的假定解精细临界点处具有光滑边界的Rényi纠缠熵的️标度行为。郭文安团队和合作者观察到一个子对数项，其系数表示存在四种️戈德斯通模式，表示在转变点存在SO(5)对称性，在热力学极限下自发地分解为O(4)对称。这一结果支持了SO(5)对称性出现在转变点的猜想，但揭示了转变是️弱一阶的。他们展示了一种检测️涌现连续对称性的新方法，更重要的是该方法可以有效地识别弱一阶相变，而传统方法无法做到这一点。该成果以️Diagnosing quantum phase transition order and deconfined criticality via entanglement entropy为题发表在本期PRL上。
郭老师在网上有一个报告视频《️量子相变与新奇物态的数值研究》，报告中郭老师对量子相变的概念以及理论做了深入浅出的介绍，目标对象包括是本科生和研究生，链接是https://www.koushare.com/live/details/3838，请感兴趣的读者自行观看。
