北师大郭文安课题组在《科学》发表研究论文

北京师范大学物理系的郭文安教授和他的博士生邵会，与波士顿大学物理系的山特维克教授合作，于4月8日在《科学》杂志上发表了一篇题为“双尺度双长度尺度的双尺度量子临界性”的同行评议研究论文。

论文的内容涉及到物理学中非常有趣和重要的相变问题。相变是物质性质的突然变化，是自然界常见的物理现象(例如水结冰或雪花形成)，也是产生新物质状态的常见机制(例如没有电阻的超导体和没有粘性的超流体，它们可以永远流动)。相变通常是由温度波动或不确定性引起的。但令人惊奇的是，在零温度下，量子力学特有的波动也能导致相变，这被称为量子相变。

传统的量子相变理论是以朗道-金兹堡-威尔逊三大物理学家建立的理论框架为基础的，并取得了巨大的成功。然而，近年来，人们发现这样一个理论不能描述一些重要的量子相变，所以在2004年物理学家发展了一个非常复杂的理论:解除限制的量子临界理论，其核心是具有分数量子数的准粒子的限制和解除限制。这一理论不仅在统计物理和凝聚态理论中具有重要意义，而且对理解基本粒子物理中的夸克禁闭、规范场的产生和玻色-希格斯粒子机制也具有重要意义。自从这个理论提出以来，它在物理学领域引起了很大的关注。然而，大量研究发现，几乎所有实现这一新机制的模型都与理论预期相反(称为“规模失败”)，这导致了对去约束理论的怀疑，并导致了巨大的争议。

邵会、郭文安和山特维克的论文通过数值模拟直接观察了分数激发态粒子的脱禁闭行为，这是对脱禁闭理论的直接支持。更重要的是，他们发展了一个新理论，并通过量子蒙特卡罗模拟证实了它，从而彻底解决了以前研究中发现的问题。这项工作是对量子相变理论的重要贡献，可能对多体强关联系统的研究产生深远的影响。他们的理论可以应用于更多在多尺度上具有强相关性的系统，甚至有助于解决高温超导中尺度行为的奥秘。

郭文安教授和博士生邵会以及他的合作者山特维克教授从2014年初开始研究量子相变。最初的研究目标是通过分数激发准粒子的直接模拟来确定特定模型的相变点和相关物理性质。新引入的“字符串”方法用于定义spionon距离。通过大规模的数值模拟，获得了目前世界上精度最高的临界点和相关指标。利用这些结果，他们观察了许多不同物理量的标度行为的内部关系，并能够在2015年年中开发新的标度理论，该理论彻底解释了过去标度失败的困难。

在论文的同行评议意见中，一些同行认为这项工作为长期困扰的“规模失败”提供了第一个令人信服的解释，并解决了该领域的一个重大问题。另一位同事说:这项研究可能是人们期待已久的突破。解封闭临界性理论研究中令人困惑的数值结果所造成的僵局已经完全消除。

图:解精细化量子临界理论的核心突破了朗道理论中以序参量为核心变量来描述系统的起点，代之以分数激发粒子(自旋)。图为量子蒙特卡罗模拟中的两个自旋。它们的距离在临界点发散，这表明解除限制的发生。