《PRL》重磅：在非厄米費米體系發(fā)現(xiàn)新的超流相

在凝聚態(tài)物理學不斷演進的版圖中，平衡態(tài)與非平衡態(tài)系統(tǒng)之間的界限正變得日益模糊。發(fā)表于《物理評論快報》的關于 “自旋拆對誘導的例外費米子超流性” (Spin-Depairing-Induced Exceptional Fermionic Superfluidity) 的研究是一項里程碑式的貢獻。這項工作引入了一個顛覆性的范式：一種不僅能在耗散中存活，而且從根本上由例外點 (Exceptional Points, EPs) 定義的穩(wěn)定超流態(tài)。

非厄米物理的革命

傳統(tǒng)量子力學建立在厄米性的基礎上，這確保了能量特征值為實數(shù)且信息守恒。然而，現(xiàn)實世界的量子系統(tǒng)是“開放”的——它們與環(huán)境相互作用，導致能量或粒子的增益與損耗。這些系統(tǒng)由非厄米 (Non-Hermitian, NH) 哈密頓量描述。

在這種系統(tǒng)中，最引人注目的特征是例外點 (EPs)。與標準量子力學中能量僅僅交疊的“簡并點”不同，在例外點處，哈密頓量的特征值和對應的特征向量會同時合一（簡并）。這種數(shù)學奇點會導致獨特的物理現(xiàn)象，如“費米弧” 以及系統(tǒng)對外部參數(shù)的極端敏感性。

核心機制：自旋拆對 (Spin Depairing)

該論文的核心在于非厄米吸引哈伯德模型。這是研究費米子（如電子或超冷原子）如何配對形成超流體的標準框架。研究人員引入了一種特定的耗散形式，稱為自旋拆對：

• 非對稱跳遷：該模型具有自旋相關的非對稱跳遷。想象一個晶格，自旋向上的粒子傾向于向右跳遷，而自旋向下的粒子則傾向于向左跳遷。
• “拆對”效應：在標準的超流體中，相反自旋的粒子會形成“庫珀對” 。通過非互惠的方式強迫兩種自旋向相反方向運動，環(huán)境實際上在試圖將這些配對“撕裂”——這就是所謂的自旋拆對。

一種新物態(tài)：例外費米超流 (EFS)

此前，物理學界普遍認為費米超流中的EPs是“毀滅的預兆”——它們只會在超流性崩潰、系統(tǒng)轉變?yōu)槠胀怏w的相變點處出現(xiàn)。

該論文的重大突破在于：發(fā)現(xiàn)自旋拆對實際上可以在超流相內部穩(wěn)定 EPs。 這種被稱為例外費米超流 (Exceptional Fermionic Superfluidity, EFS) 的狀態(tài)具有兩個同時存在的特性：

• 有限的序參量：系統(tǒng)保持宏觀波函數(shù)（超流性），允許無電阻的流動。
• 內部例外點：準粒子激發(fā)譜在動量空間中包含 EPs。這意味著在這種超流體中攜帶熱量或電流的“粒子”，其行為與標準 BCS 超導系統(tǒng)中的粒子有著本質的區(qū)別。

核心理論見解

1. 與態(tài)密度 (DOS) 的相互作用

研究者利用非厄米 BCS 理論分析了系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn) EPs 在復能量平面上創(chuàng)造了一種獨特的“有效態(tài)密度”。這種相互作用確保了即使 EPs 存在，系統(tǒng)仍能維持在穩(wěn)定的能量極小值狀態(tài)（或其非平衡態(tài)等效物），從而防止超流態(tài)衰減。

2. 維度與魯棒性

論文揭示了這種新相的穩(wěn)定性高度依賴于系統(tǒng)的幾何維度：

• 正方晶格 (2D)：EFS 表現(xiàn)得異常穩(wěn)健。即使是微弱的相互作用也能支持超流性與 EPs 的共存。
• 立方晶格 (3D)：該相變得更為脆弱；強烈的自旋拆對最終會導致超流態(tài)的徹底崩潰。
• 一維系統(tǒng) (1D)：在 1D 中，超流性的“例外”特性基本消失，EPs 再次被排擠到相邊界上。

實驗意義：超冷原子

這不僅僅是一個數(shù)學上的好奇心。作者指出，超冷原子實驗是模擬這種物理現(xiàn)象的完美“量子模擬器”：

• 實現(xiàn)方式：利用激光誘導的規(guī)范場或受控的原子損耗，實驗物理學家可以構建出所需的非對稱跳遷（自旋相關耗散）。
• 觀測手段：通過動量分辨光譜，科學家可以直接描繪復能量譜，并觀測到動量空間中的例外點以及連接它們的費米弧。

結論：多體物理的新前沿

自旋拆對誘導的例外費米超流標志著我們在理解耗散如何作為“資源”而非“干擾”方面邁出了重要一步。通過證明拓撲奇點 (EPs) 可以舒適地存在于多體有序態(tài)中，這項工作為以下領域開啟了大門：

• 設計具有非互惠傳輸特性的新型量子材料。
• 探索“非厄米拓撲超導”，這可能對容錯量子計算產生影響。
• 彌合經(jīng)典“有損”波動物理（如光子學）與真正的多體量子統(tǒng)計之間的鴻溝。