震动晶格的示意图。振动晶格的模拟相图。跨越相变和亚稳态。相变动力学。

江苏激光联盟导读：

来自University ofCambridge的研究。

相变无处不在，从水沸腾到雪花融化，从固体中的磁性转变到早期宇宙的宇宙学相变。特别有趣的是在接近绝对零度的温度下发生的量子相变，它是由量子而不是热波动驱动的。

相变过程中振荡量子气体动量分布的测量。左边的中心峰对应的是初始Mott绝缘子，右边的两个峰表示出现了明显的交错顺序。来源：Bo Cheng

剑桥大学的研究人员利用光学晶格势(由一组驻波激光器形成)中的超冷原子研究了量子相的性质和它们的跃迁。通常，由Mott绝缘体到超流体的过渡是一个连续的过渡过程，该过渡过程受原子间相互作用和原子跳变的控制，系统经历了一个平滑连续的过渡过程。

然而，许多相变是不连续的，比如水冻结成冰，或者被认为触发了早期宇宙膨胀期的相变。这些被称为“一阶跃迁”，例如，允许两种相共存——就像一杯水里的冰块一样——并可能导致滞后和亚稳态，即使基态改变了，系统仍然停留在原始相(虚假真空)。

通过共振振动晶格势的位置，研究人员可以耦合或“混合”晶格的前两个带。对于正确的参数，这可以将原子从最低的带激发到第一个激发带，在那里它们将形成一个新的超流体，其中原子出现在带的边缘。最重要的是，由于Mott绝缘子中的非交错超流体与超流体的交错超流体不相容，因此系统必须选择一种，从最低带的原始Mott绝缘子过渡到激励带中产生的交错超流体可以是一阶(不连续)的。研究人员可以通过监测一个相变转变到另一个相变的快慢来直接观察亚稳态和与这一一级相变相关的迟滞现象。研究结果发表在《Nature Physics》杂志上。

“我们实现了一个非常灵活的平台，可以通过改变振动强度来调整相变从连续到不连续。这一论证为探索量子涨落在一阶相变中的作用打开了新的机会，例如，早期宇宙的虚假真空衰变，”剑桥Cavendish实验室的第一作者Bo Song博士说。“这真的很令人着迷，我们正在用这样一个寒冷而微小的原子团，来破解炎热而密集的早期宇宙之谜。”

“我们很高兴能够增强量子模拟器的范围，从凝聚态设置到早期宇宙的潜在模拟。虽然还有很长的路要走，但这项工作是重要的第一步。”领导Cavendish实验室研究的Ulrich Schneider教授补充道。“这项工作也为探索强相互作用的量子系统经历不连续跃迁时空间结构的自发形成提供了一个实验平台。”

来源：Realizing discontinuous quantum phase transitions in a stronglycorrelated driven optical lattice, Nature Physics (2022). DOI:10.1038/s41567-021-01476-w. www.nature.com/articles/s41567-021-01476-w