基于里德堡原子的多体自组织模拟实现

中国科技大学郭广灿院士在里德堡原子的研究方向上取得了重要进展:该实验室的史保森教授、丁东生教授与英国杜伦大学合作，实现了基于里德堡原子的多体自组织模拟。主要研究结果发表在4月29日的《物理评论十》上。

自然界中有许多现象在本质上遵循多体物理学的进化规律，例如大树如何生长，晶体如何自发形成，病毒细胞如何积累并最终发展成病毒体，以及人类如何通过社交网络相互感染。这些由于多体相互作用而产生的新状态遵循自组织定律。自组织是指混沌系统在随机识别过程中形成耗散结构的过程。它广泛存在于自然界中，如物理学中的相变和自发对称性破缺现象，化学中的分子自组装和自催化网络，生物学中的自发蛋白质折叠和动物集群行为。一个特别有趣和重要的现象是自组织临界行为:系统被吸引到一个临界点，在这个临界点上系统的行为发生了巨大的变化。自组织临界性是自然界中许多复杂例子的核心，例如森林火灾和病毒传播。因此，研究自组织临界性对于模拟自然界复杂的多体问题具有重要意义。

与薄原子气体相比，里德堡原子系综中原子间的相互作用更强，高极化率使得原子间的偶极相互作用长达数微米。强相互作用使得在室温下观察原子系综中的非平衡相变成为可能。用传统的粒子数布局方法探测基于里德堡原子的非平衡相变的精度约为几百兆赫。史宝森、丁冬生和他们的合作者提出了一种新的探测方法:通过里德堡原子的电磁感应透明效应观察非平衡相变。与传统方法相比，频率分辨率提高了两个数量级。此外，他们测量了完整的相图，观察了临界点附近的动态行为，并揭示了以前从未观察到的在弱驱动光条件下的光学响应和非平衡动力学的时域光谱特征。

当在一个相互作用范围内里德堡原子的平均数目达到一个临界值时，将发生相变，系统将从单体非相互作用相过渡到多体相互作用相，反之亦然。由于测量的灵敏度在兆赫的数量级，他们可以在临界点附近检测系统的动态演化行为，并发现系统的演化遵循幂指数函数。实验结果与森林火灾模型预测的结果一致，为研究多体动力学的基础物理开辟了一条新的途径。

这项工作得到了评论家的高度评价:“这可能是迄今为止关于里德堡气体双稳态行为的最系统和最深入的报告”，并且“他们的研究成果不仅将对里德堡的研究领域，而且对其他领域产生重大影响”。“在我看来，这篇文章的技术水平很高。它第一次准确地描绘了里德堡系统的相图”。

有关文件的资料:https://journals . APS . org/prx/abstract/10.1103/phys revx . 10.021023