北京师范大学提出新的标度理论破解标度失效疑难

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提出新的标度理论，破解标度失效疑难

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郭文安教授和他指导的博士生邵慧与波士顿大学物理系A. W. Sandvik教授合作在4月8日出版的《科学》上发表了题为《两尺度量子临界性（Quantum criticality with two length scales）》的同行评议研究论文。

　　论文内容涉及物理学中非常有趣而重要的相变问题。相变是物质性质的突然转变，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（比如没有电阻的超导体、没有粘滞性可以永远流动的超流体）的普遍机制。相变一般由温度带来的热涨落或不确定导致。但是奇妙的是： 在零温，量子力学特有的涨落也可以导致相变，称为量子相变。

　　传统的量子相变理论建立在三位伟大的物理学家：朗道-金兹堡-威尔逊确立的理论框架上， 并取得了很大的成功。然而，近年来人们发现这样的理论无法描述一些重要的量子相变，为此在2004年物理学家发展了一个非常复杂的理论：去禁闭量子临界理论（Deconfined quantum criticality theory），其核心是具有分数量子数的准粒子的禁闭与去禁闭。这一理论不仅在统计物理和凝聚态理论方面有重要意义，也对人们理解基本粒子物理的夸克禁闭，演生规范场以及玻色希格斯粒子机制有重要价值。理论提出之后在物理学界广为关注。然而，其后大量的研究发现：具体实现这一新机制的几乎所有模型中都存在违背理论预期的情况（称为“标度失效”），这导致去禁闭理论受到怀疑， 并引发了很大的争议。

　　邵慧、郭文安和Sandvik的论文通过数值模拟直接观察到分数激发粒子的去禁闭行为，这是对去禁闭理论的直接支持。更为重要的是，他们发展了一个新的理论，并通过量子蒙特卡洛模拟证实了这一理论，从而彻底解决了过往研究发现的问题。这一工作是对量子相变理论的重要贡献，有可能对多体强关联系统的研究产生深远影响。他们的理论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.

　　郭文安教授和博士生邵慧，合作者Sandvik教授从2014年初开始对去禁闭量子相变开展研究。最初的研究目标是通过对分数激发准粒子的直接模拟测定特定模型的相变点和相关物理性质。利用新引入的‘弦’（string）的方式定义spionon的距离，通过大规模的数值模拟计算，他们得到了当前世界上最好精度的临界点和相关指数。利用这些结果，他们观察到了多种不同物理量标度行为的内在关系，并得以在2015年年中发展出了新的标度理论，彻底解释了过往的标度失效疑难。

　　在论文的同行评议意见里，有同行认为：这一工作为长期困扰人们的‘标度失效’提供了第一个令人信服的解释，解决了这一领域的一个主要问题。另一同行表示：这一研究很可能是人们长期期待的突破，去禁闭临界理论研究中令人困惑的数值结果导致的僵局，被彻底清除了。

图：去禁闭量子临界理论的核心是突破了朗道理论中序参量是描述系统的核心变量这一出发点， 代之以分数激发粒子（spinon）。图为量子蒙特卡罗模拟中两个spinon. 它们的距离在临界点发散，标志着去禁闭行为的发生。