一个金刚烷粉末样品 （C10H16） 及其晶格结构。b.实验方案和脉冲序列。c. 观察到的自旋去极化动力学的普遍性。d. 自旋去极化动力学背后的主导相互作用过程。图片来源：杜教授的团队

一项新的研究揭示了随机相互作用的自旋模型中远离平衡的普遍动力学，从而补充了低能平衡物理学中公认的普遍性。这项研究最近发表在《自然物理学》（Nature Physics）上，是由中国科学技术大学（USTC）杜江峰教授和彭新华教授领导的研究小组，以及清华大学翟辉教授和复旦大学张鹏飞博士的理论小组合作完成的成果。

量子多体系统中的非平衡动力学是当前现代量子科学和技术发展的核心，近年来发现了丰富的现象，尤其是在超冷原子、超导量子比特、囚禁离子、NV 中心和 NMR 系统等合成量子平台中。

然而，尽管量子非平衡动力学具有丰富的现象，但仍然缺乏量子非平衡动力学背后的简单而普遍的规则。非平衡动力学通常涉及超出常规低能普遍性的高激发态。

普遍行为是否也能出现在非平衡动力学中，是量子多体物理学领域的一个前沿问题。主要困难来自非平衡多体系统的强相关性和复杂性，以及与这些系统的高精度量子控制相关的实验挑战。

固体核自旋系统是自然复杂的多体量子系统，可以通过量子控制技术进行精确控制，从而能够实现各种多体自旋模型。这为研究量子多体系统的非平衡动力学提供了一个自然且可调节的实验平台。

利用多年来在核自旋系统的量子控制和量子模拟方面的专业知识，研究人员设计了脉冲序列来高精度控制1金刚烷中的 H 核自旋 （C10H16） 粉末（每粒含有约 10 粒9到 1012分子），并实现了具有可调各向异性参数的随机交互自旋模型。随机性源于不同晶粒中晶格轴与静磁场之间的随机取向。

然后，研究人员观察到一个新现象：随着各向异性参数的变化，自旋去极化动力学显示出从单调衰减到振荡衰减的明显转变。他们发现，自旋去极化动力学的行为可以用两个参数来普遍描述。通过将实验观察结果与几种不同的理论方法进行比较，研究人员对这种非平衡量子多体动力学提供了全面的理论解释。

这项研究确定了量子多体系统非平衡动力学中的一种新型普遍性，这在经典计算机上难以模拟。它是如何使用量子信息技术来发现新物理定律的一个很好的例子。

此外，实验中使用的方法和技术为其他物理系统提供了新的见解，例如超冷原子或分子以及 NV 中心系综。这项研究大大增强了对此类复杂系统的理解，并可能引发物理学各个领域的广泛兴趣。

更多信息：Yuchen Li et al， 随机相互作用自旋模型中的新兴通用猝灭动力学，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02664-0

期刊信息： Nature Physics