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基本信息
- 項目名稱：
- 一維無序系統(tǒng)中相對論性粒子的非局域化及其在冷原子中的實現(xiàn)
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 人們通常認(rèn)為當(dāng)粒子速度接近光速時才有明顯的相對論性效應(yīng)。你能想象超低速運動的冷原子也表現(xiàn)出明顯的相對論效應(yīng)嗎？在此作品中，我們將證明以十億分之一光速運動的超冷原子，在特定的非阿貝爾勢中，相對論效應(yīng)明顯，并需要用一維相對論狄拉克方程來描述。我們進一步研究了一維無序鏈中的相對論性粒子的局域化，并發(fā)現(xiàn)由于手征對稱性，零質(zhì)量的粒子完全處于擴展態(tài)，從而與著名的安德森局域化的傳統(tǒng)觀點形成鮮明對比。最后我們闡述如何利用現(xiàn)行的冷原子實驗技術(shù)，探測所預(yù)言的相對論性效應(yīng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 安德森局域化是凝聚態(tài)物理中重要的基本概念，描述的是固體中雜質(zhì)和缺陷等各種無序?qū)﹄娮拥挠绊?，解釋了為什么摻雜可以實現(xiàn)金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變等重要問題。安德森等人因“對磁性和無序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究”而獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎。因為凝聚態(tài)系統(tǒng)中（準(zhǔn)）粒子的有效速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，一般用非相對論性的薛定諤方程描述，所以以前對電子局域化的研究往往局限于非相對論性范疇，并存在一個著名的結(jié)論：一維無序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)。 對相對論性粒子，安德森局域化問題研究得不多。最近，由于“單層石墨”（graphene）的實驗實現(xiàn)和其中的電子要用相對論狄拉克方程描述；相對論性粒子的性質(zhì)引起了粒子物理以及凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的科研人員的廣泛關(guān)注。我們自然可以提出一個基本問題：安德森局域化是否可以推廣到相對論范疇？非相對論情況中得到的一些著名結(jié)論是否還適用于相對論性粒子呢？在以往的文獻中，這個問題并沒有明確的答案。另外，在實驗方面，如何模擬和探測相對論性粒子的局域化性質(zhì)同樣是一個充滿挑戰(zhàn)的難題。 我們的論文在一維情況下基本回答了上述問題：一是研究了相對論性粒子在一維無序系統(tǒng)中的安德森局域化問題，通過數(shù)值計算和解析計算得到明確和非相對論粒子不同的結(jié)果；二是提出了用超冷原子觀察相對論粒子的安德森局域化的可行實驗方法。我們的工作以及研究結(jié)論可以分為以下四點： 1.將轉(zhuǎn)移矩陣方法和標(biāo)度理論推廣到相對論性范疇，在此基礎(chǔ)上可以進行充分的數(shù)值計算，從而得到明確的結(jié)論：有質(zhì)量的相對論性粒子在一維無序系統(tǒng)中也總是處于局域態(tài)，但局域化長度總是比非相對論粒子的長。 2.對于粒子有效質(zhì)量為零的特殊情況，模型是嚴(yán)格可解的，而且解析結(jié)果明確表明，不管無序程度如何，零質(zhì)量的相對論性粒子總是處于擴展態(tài)。這和非相對論粒子的著名結(jié)論，一維無序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)不同。 3.對上述結(jié)論的物理背景進行充分分析，揭示克萊因隧穿效應(yīng)所起的作用，以及手征對稱性保證了零質(zhì)量狄拉克粒子的非局域化。 4.根據(jù)目前迅速發(fā)展的冷原子實驗技術(shù)，設(shè)計了一個可行的實驗方案，能夠用于模擬理論所需系統(tǒng)以及檢驗理論結(jié)果，使結(jié)論具有實驗檢驗的可能性和可行性，同時也為模擬凝聚態(tài)物理體系的研究提供一種實驗方案。 我們提出的實驗方法有幾個關(guān)鍵技術(shù)：一是控制原子間相互作用；二是制造無序勢；三是在冷原子團中產(chǎn)生有效的非阿貝爾規(guī)范勢。值得一提的是，在2008年分別由G. Roati等人[G. Roati et al., Nature 453, 895 (2008)]以及J. Billy等人[J. Billy et al., Nature 453, 891 (2008)]組成的兩個實驗小組成功觀測到BEC中(非相對論)的安德森局域化，實驗中很好地控制冷原子間的相互作用，也利用了激光光斑（laser speckle）技術(shù)產(chǎn)生光學(xué)無序勢。此外，近期由諾貝爾物理學(xué)獎得主WD Phillips領(lǐng)導(dǎo)的NIST實驗組在銣原子的BEC中實現(xiàn)了光誘導(dǎo)（阿貝爾）規(guī)范勢[Phys. Rev. Lett. 102, 130401 (2009)]。冷原子技術(shù)發(fā)展非常迅速，我們有理由相信能進一步實現(xiàn)光誘導(dǎo)的非阿貝爾規(guī)范勢，基于這些實驗技術(shù)，文中的實驗方法以及預(yù)言的結(jié)論是可能在實驗室中實現(xiàn)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 凝聚態(tài)體系中相對論性粒子的性質(zhì)是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的一個前沿研究領(lǐng)域，而相對論性粒子的安德森局域化是其中的一個重要課題。撰寫本文的目的和思路分為兩點：一是研究相對論性粒子在一維無序鏈中的局域化問題。我們在推廣非相對論的轉(zhuǎn)移矩陣方法和標(biāo)度理論的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值和解析計算得出有創(chuàng)新的結(jié)果。二是提出檢驗理論的可行實驗方案。我們提出利用光誘導(dǎo)規(guī)范場中的超冷原子可以模擬并探測所預(yù)言的相對論性粒子的局域化性質(zhì)。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 通常認(rèn)為當(dāng)粒子速度接近光速時相對論性效應(yīng)才明顯。然而我們證明以十億分之一光速運動的超冷原子，在特定的非阿貝爾勢中，相對論效應(yīng)明顯，并需要用一維相對論狄拉克方程來描述。我們進一步研究了一維無序鏈中的相對論性粒子的局域化，并發(fā)現(xiàn)由于手征對稱性，零質(zhì)量的粒子完全處于擴展態(tài)，從而與著名的安德森局域化的傳統(tǒng)觀點形成鮮明對比。最后我們闡述如何利用現(xiàn)行的冷原子實驗技術(shù)，探測所預(yù)言的相對論性效應(yīng)。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 1.審稿人評價該論文有趣和原創(chuàng)，有助于更深地理解相對論物理的一個普遍認(rèn)識。2.關(guān)于“零質(zhì)量狄拉克粒子非局域化”的結(jié)論，突破了對于一維無序體系的安德森局域化的傳統(tǒng)認(rèn)識。3.屬于當(dāng)前物理、器件等多領(lǐng)域科研人員共同關(guān)注的課題，可能對現(xiàn)在的電子工業(yè)有重大影響，也能夠為研究新型材料奠定理論基礎(chǔ)。4.實驗方案不僅可以檢驗理論結(jié)果，而且能為進一步研究相對論性粒子的性質(zhì)，以及發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象提供一個可行的實驗平臺。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 在這篇論文中，我們研究一維無序鏈中的相對論性粒子的安德森局域化性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)在相同的無序程度下，相對論性粒子的局域化長度比非相對論性粒子的更長，表明相對論性粒子更趨于非局域態(tài)。更有趣地，由于手征對稱性，不論系統(tǒng)的無序程度多大，零質(zhì)量的相對論性粒子完全處于擴展態(tài)。這為我們提供一個獨特的例子，突破了著名的一維安德森局域化的傳統(tǒng)認(rèn)識：非相對論粒子在一維無序系統(tǒng)中總是處于局域態(tài)。我們進一步提出一個實驗方案：利用光誘導(dǎo)規(guī)范場中的超冷原子模擬理論所需系統(tǒng)，并探測所預(yù)言的相對論性粒子的（非）局域化性質(zhì)。
獲獎情況
- 論文于2009年5月19日被Physical Review Letters正式接收（見材料三），于5月29日正式發(fā)表（見材料四）。 期刊簡介：Physical Review Letters通常翻譯成《物理評論快報》，由美國物理學(xué)會主辦，現(xiàn)SCI影響因子為7.180；被公認(rèn)為物理學(xué)一級學(xué)科國際最權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊。
鑒定結(jié)果
- 發(fā)表SCI論文： Phys. Rev. Lett 102, 210403 (2009) (見材料一)；
參考文獻
- [1] P.W. Anderson, Phys. Rev. 109, 1492 (1958). [2] P.W. Anderson et al., Phys. Rev. B 22, 3519 (1980). [3] K. S. Novoselov et al., Nature (London) 438, 197 (2005); Y. Zhang et al., ibid. 438, 201 (2005). [4] S. L. Zhu, B. Wang, and L.M. Duan, Phys. Rev. Lett. 98,260402 (2007). [5] J. Ruseckas et al., Phys. Rev. Lett. 95, 010404 (2005). [6] G. Juzeliunas et al., Phys. Rev. A 77, 011802(R) (2008). [7] S. L. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 97, 240401 (2006). [8] G. Roati et al., Nature (London) 453, 895 (2008). [9] J. Billy et al., Nature (London) 453, 891 (2008). [10] Y.-J. Lin et al., Phys. Rev. Lett. 102, 130401 (2009).
同類課題研究水平概述
- 安德森局域化是凝聚態(tài)物理中重要的基本概念，描述的是固體中雜質(zhì)和缺陷等各種無序?qū)﹄娮拥挠绊?，解釋了為什么摻雜可以實現(xiàn)金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變等重要問題。安德森等人因“對磁性和無序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究”而獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎。因為凝聚態(tài)系統(tǒng)中（準(zhǔn)）粒子的有效速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，一般用非相對論性的薛定諤方程描述，所以以前對電子局域化的研究往往局限于非相對論性范疇，并存在一個著名的結(jié)論：一維無序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)。 對相對論性粒子，安德森局域化問題研究得不多。最近，由于“單層石墨”（graphene）的實驗實現(xiàn)和其中的電子要用相對論狄拉克方程描述；相對論性粒子的性質(zhì)引起了粒子物理以及凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的科研人員的廣泛關(guān)注。我們自然可以提出一個基本問題：安德森局域化是否可以推廣到相對論范疇？非相對論情況中得到的一些著名結(jié)論是否還適用于相對論性粒子呢？在以往的文獻中，這個問題并沒有明確的答案。另外，在實驗方面，如何模擬和探測相對論性粒子的局域化性質(zhì)同樣是一個充滿挑戰(zhàn)的難題。 我們的論文在一維情況下基本回答了上述問題：一是研究了相對論性粒子在一維無序系統(tǒng)中的安德森局域化問題，通過數(shù)值計算和解析計算得到明確和非相對論粒子不同的結(jié)果；二是提出了用超冷原子觀察相對論粒子的安德森局域化的可行實驗方法。 我們提出的實驗方法有幾個關(guān)鍵技術(shù)：一是控制原子間相互作用；二是制造無序勢；三是在冷原子團中產(chǎn)生有效的非阿貝爾規(guī)范勢。值得一提的是，在2008年分別由G. Roati等人[G. Roati et al., Nature 453, 895 (2008)]以及J. Billy等人[J. Billy et al., Nature 453, 891 (2008)]組成的兩個實驗小組成功觀測到BEC中(非相對論)的安德森局域化，實驗中很好地控制冷原子間的相互作用，也利用了激光光斑（laser speckle）技術(shù)產(chǎn)生光學(xué)無序勢。此外，近期由諾貝爾物理學(xué)獎得主WD Phillips領(lǐng)導(dǎo)的NIST實驗組在銣原子的BEC中實現(xiàn)了光誘導(dǎo)（阿貝爾）規(guī)范勢[Phys. Rev. Lett. 102, 130401 (2009)]。冷原子技術(shù)發(fā)展非常迅速，我們有理由相信能進一步實現(xiàn)光誘導(dǎo)的非阿貝爾規(guī)范勢，基于這些實驗技術(shù)，文中的實驗方法以及預(yù)言的結(jié)論是可能在實驗室中實現(xiàn)。
