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基本信息

項(xiàng)目名稱：
一維無(wú)序系統(tǒng)中相對(duì)論性粒子的非局域化及其在冷原子中的實(shí)現(xiàn)
小類：
數(shù)理
簡(jiǎn)介：
人們通常認(rèn)為當(dāng)粒子速度接近光速時(shí)才有明顯的相對(duì)論性效應(yīng)。你能想象超低速運(yùn)動(dòng)的冷原子也表現(xiàn)出明顯的相對(duì)論效應(yīng)嗎？在此作品中，我們將證明以十億分之一光速運(yùn)動(dòng)的超冷原子，在特定的非阿貝爾勢(shì)中，相對(duì)論效應(yīng)明顯，并需要用一維相對(duì)論狄拉克方程來(lái)描述。我們進(jìn)一步研究了一維無(wú)序鏈中的相對(duì)論性粒子的局域化，并發(fā)現(xiàn)由于手征對(duì)稱性，零質(zhì)量的粒子完全處于擴(kuò)展態(tài)，從而與著名的安德森局域化的傳統(tǒng)觀點(diǎn)形成鮮明對(duì)比。最后我們闡述如何利用現(xiàn)行的冷原子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探測(cè)所預(yù)言的相對(duì)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(wú)序?qū)﹄娮拥挠绊?，解釋了為什么摻雜可以實(shí)現(xiàn)金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變等重要問(wèn)題。安德森等人因“對(duì)磁性和無(wú)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(jiǎng)。因?yàn)槟蹜B(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(duì)論性的薛定諤方程描述，所以以前對(duì)電子局域化的研究往往局限于非相對(duì)論性范疇，并存在一個(gè)著名的結(jié)論：一維無(wú)序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)。 對(duì)相對(duì)論性粒子，安德森局域化問(wèn)題研究得不多。最近，由于“單層石墨”（graphene）的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和其中的電子要用相對(duì)論狄拉克方程描述；相對(duì)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(gè)基本問(wèn)題：安德森局域化是否可以推廣到相對(duì)論范疇？非相對(duì)論情況中得到的一些著名結(jié)論是否還適用于相對(duì)論性粒子呢？在以往的文獻(xiàn)中，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有明確的答案。另外，在實(shí)驗(yàn)方面，如何模擬和探測(cè)相對(duì)論性粒子的局域化性質(zhì)同樣是一個(gè)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(wèn)題：一是研究了相對(duì)論性粒子在一維無(wú)序系統(tǒng)中的安德森局域化問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和解析計(jì)算得到明確和非相對(duì)論粒子不同的結(jié)果；二是提出了用超冷原子觀察相對(duì)論粒子的安德森局域化的可行實(shí)驗(yàn)方法。我們的工作以及研究結(jié)論可以分為以下四點(diǎn)： 1.將轉(zhuǎn)移矩陣方法和標(biāo)度理論推廣到相對(duì)論性范疇，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行充分的數(shù)值計(jì)算，從而得到明確的結(jié)論：有質(zhì)量的相對(duì)論性粒子在一維無(wú)序系統(tǒng)中也總是處于局域態(tài)，但局域化長(zhǎng)度總是比非相對(duì)論粒子的長(zhǎng)。 2.對(duì)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(wú)序程度如何，零質(zhì)量的相對(duì)論性粒子總是處于擴(kuò)展態(tài)。這和非相對(duì)論粒子的著名結(jié)論，一維無(wú)序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)不同。 3.對(duì)上述結(jié)論的物理背景進(jìn)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(duì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)方案，能夠用于模擬理論所需系統(tǒng)以及檢驗(yàn)理論結(jié)果，使結(jié)論具有實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的可能性和可行性，同時(shí)也為模擬凝聚態(tài)物理體系的研究提供一種實(shí)驗(yàn)方案。 我們提出的實(shí)驗(yàn)方法有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是控制原子間相互作用；二是制造無(wú)序勢(shì)；三是在冷原子團(tuán)中產(chǎn)生有效的非阿貝爾規(guī)范勢(shì)。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(gè)實(shí)驗(yàn)小組成功觀測(cè)到BEC中(非相對(duì)論)的安德森局域化，實(shí)驗(yàn)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(wú)序勢(shì)。此外，近期由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主WD Phillips領(lǐng)導(dǎo)的NIST實(shí)驗(yàn)組在銣原子的BEC中實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)（阿貝爾）規(guī)范勢(shì)[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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)的非阿貝爾規(guī)范勢(shì)，基于這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)，文中的實(shí)驗(yàn)方法以及預(yù)言的結(jié)論是可能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

凝聚態(tài)體系中相對(duì)論性粒子的性質(zhì)是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，而相對(duì)論性粒子的安德森局域化是其中的一個(gè)重要課題。撰寫(xiě)本文的目的和思路分為兩點(diǎn)：一是研究相對(duì)論性粒子在一維無(wú)序鏈中的局域化問(wèn)題。我們?cè)谕茝V非相對(duì)論的轉(zhuǎn)移矩陣方法和標(biāo)度理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值和解析計(jì)算得出有創(chuàng)新的結(jié)果。二是提出檢驗(yàn)理論的可行實(shí)驗(yàn)方案。我們提出利用光誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)中的超冷原子可以模擬并探測(cè)所預(yù)言的相對(duì)論性粒子的局域化性質(zhì)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

通常認(rèn)為當(dāng)粒子速度接近光速時(shí)相對(duì)論性效應(yīng)才明顯。然而我們證明以十億分之一光速運(yùn)動(dòng)的超冷原子，在特定的非阿貝爾勢(shì)中，相對(duì)論效應(yīng)明顯，并需要用一維相對(duì)論狄拉克方程來(lái)描述。我們進(jìn)一步研究了一維無(wú)序鏈中的相對(duì)論性粒子的局域化，并發(fā)現(xiàn)由于手征對(duì)稱性，零質(zhì)量的粒子完全處于擴(kuò)展態(tài)，從而與著名的安德森局域化的傳統(tǒng)觀點(diǎn)形成鮮明對(duì)比。最后我們闡述如何利用現(xiàn)行的冷原子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探測(cè)所預(yù)言的相對(duì)論性效應(yīng)。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

1.審稿人評(píng)價(jià)該論文有趣和原創(chuàng)，有助于更深地理解相對(duì)論物理的一個(gè)普遍認(rèn)識(shí)。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(duì)于一維無(wú)序體系的安德森局域化的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。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(duì)現(xiàn)在的電子工業(yè)有重大影響，也能夠?yàn)檠芯啃滦筒牧系於ɡ碚摶A(chǔ)。4.實(shí)驗(yàn)方案不僅可以檢驗(yàn)理論結(jié)果，而且能為進(jìn)一步研究相對(duì)論性粒子的性質(zhì)，以及發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象提供一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

學(xué)術(shù)論文摘要

在這篇論文中，我們研究一維無(wú)序鏈中的相對(duì)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(wú)序程度下，相對(duì)論性粒子的局域化長(zhǎng)度比非相對(duì)論性粒子的更長(zhǎng)，表明相對(duì)論性粒子更趨于非局域態(tài)。更有趣地，由于手征對(duì)稱性，不論系統(tǒng)的無(wú)序程度多大，零質(zhì)量的相對(duì)論性粒子完全處于擴(kuò)展態(tài)。這為我們提供一個(gè)獨(dú)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(shí)：非相對(duì)論粒子在一維無(wú)序系統(tǒng)中總是處于局域態(tài)。我們進(jìn)一步提出一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案：利用光誘導(dǎo)規(guī)范場(chǎng)中的超冷原子模擬理論所需系統(tǒng)，并探測(cè)所預(yù)言的相對(duì)論性粒子的（非）局域化性質(zhì)。

獲獎(jiǎng)情況

論文于2009年5月19日被Physical Review Letters正式接收（見(jiàn)材料三），于5月29日正式發(fā)表（見(jiàn)材料四）。 期刊簡(jiǎn)介：Physical Review Letters通常翻譯成《物理評(píng)論快報(bào)》，由美國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦，現(xiàn)SCI影響因子為7.180；被公認(rèn)為物理學(xué)一級(jí)學(xué)科國(guó)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(jiàn)材料一)；

參考文獻(xiàn)

[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(wú)序?qū)﹄娮拥挠绊?，解釋了為什么摻雜可以實(shí)現(xiàn)金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變等重要問(wèn)題。安德森等人因“對(duì)磁性和無(wú)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(jiǎng)。因?yàn)槟蹜B(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(duì)論性的薛定諤方程描述，所以以前對(duì)電子局域化的研究往往局限于非相對(duì)論性范疇，并存在一個(gè)著名的結(jié)論：一維無(wú)序系統(tǒng)中的電子總是處于局域態(tài)。 對(duì)相對(duì)論性粒子，安德森局域化問(wèn)題研究得不多。最近，由于“單層石墨”（graphene）的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和其中的電子要用相對(duì)論狄拉克方程描述；相對(duì)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(gè)基本問(wèn)題：安德森局域化是否可以推廣到相對(duì)論范疇？非相對(duì)論情況中得到的一些著名結(jié)論是否還適用于相對(duì)論性粒子呢？在以往的文獻(xiàn)中，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有明確的答案。另外，在實(shí)驗(yàn)方面，如何模擬和探測(cè)相對(duì)論性粒子的局域化性質(zhì)同樣是一個(gè)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(wèn)題：一是研究了相對(duì)論性粒子在一維無(wú)序系統(tǒng)中的安德森局域化問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和解析計(jì)算得到明確和非相對(duì)論粒子不同的結(jié)果；二是提出了用超冷原子觀察相對(duì)論粒子的安德森局域化的可行實(shí)驗(yàn)方法。 我們提出的實(shí)驗(yàn)方法有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是控制原子間相互作用；二是制造無(wú)序勢(shì)；三是在冷原子團(tuán)中產(chǎn)生有效的非阿貝爾規(guī)范勢(shì)。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(gè)實(shí)驗(yàn)小組成功觀測(cè)到BEC中(非相對(duì)論)的安德森局域化，實(shí)驗(yàn)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(wú)序勢(shì)。此外，近期由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主WD Phillips領(lǐng)導(dǎo)的NIST實(shí)驗(yàn)組在銣原子的BEC中實(shí)現(xiàn)了光誘導(dǎo)（阿貝爾）規(guī)范勢(shì)[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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)的非阿貝爾規(guī)范勢(shì)，基于這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)，文中的實(shí)驗(yàn)方法以及預(yù)言的結(jié)論是可能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。
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