近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員管習(xí)文量子可積課題組與美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)教授Adolfo del Campo、浙江大學(xué)教授Gentaro Watanabe合作，在一維冷原子系統(tǒng)量子調(diào)控研究中取得新進(jìn)展，并于10月17日在《自然》的共創(chuàng)子刊《NPJ:量子信息》（NPJ:Quantum Information）雜志在線發(fā)表題為An interaction-driven many-particle quantum heat engine and its universal behavior 的研究論文。 

　　在該工作中，量子可積研究組及其合作者率先提出了相互作用調(diào)控量子熱機(jī)的構(gòu)想，運(yùn)用精確可解模型以及拉亭戈量子液體理論系統(tǒng)計(jì)算了相互作用調(diào)控量子熱機(jī)的功及熱機(jī)效率，發(fā)現(xiàn)在量子臨界點(diǎn)附近量子熱機(jī)具有最大的單粒子平均功，并討論了實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)方案。該工作從理論研究層面揭示了量子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的普適特性，并為量子調(diào)控和量子氣體的實(shí)驗(yàn)研究提供了有意義的參考。 

　　量子熱機(jī)是近年來(lái)多體量子物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。從理論研究的角度看，傳統(tǒng)的量子統(tǒng)計(jì)物理對(duì)于極低溫以及極小尺度的量子動(dòng)力學(xué)行為描述并不完備，作為其基石的各態(tài)遍歷假說(shuō)遭遇挑戰(zhàn)，這激發(fā)了研究者們濃厚的興趣，量子熱機(jī)循環(huán)作為典型的量子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，受到了廣泛關(guān)注。從超冷原子實(shí)驗(yàn)的角度看，對(duì)于極低溫的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其量子效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，因此對(duì)超冷原子進(jìn)行操控或進(jìn)一步降溫也必須考慮體系的量子熱效應(yīng)，而這正是量子熱機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容。 

　　該工作中，量子可積研究組及其合作者創(chuàng)造性地運(yùn)用了可積模型以及低維量子場(chǎng)論的研究手段，通過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算，分析了由一維接觸相互作用玻色氣體實(shí)現(xiàn)的量子熱機(jī)循環(huán)，得到了熱機(jī)效率、功等主要參數(shù)的解析表達(dá)式。作者針對(duì)冷原子物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出了通過(guò)調(diào)控原子之間相互作用強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)量子熱機(jī)循環(huán)的構(gòu)想，理論上證實(shí)了相互作用調(diào)控可實(shí)現(xiàn)和原先人們熟知的磁熱、壓熱效應(yīng)類似的一種全新的量子熱效應(yīng)。基于對(duì)熱機(jī)循環(huán)的分析，該工作理論上完全證明了相互作用調(diào)控的量子熱機(jī)的可實(shí)施性，并相應(yīng)給出了具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案。 

　　該工作中，精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院量子可積系統(tǒng)研究組的原博士生陳洋洋和助理研究員余毅聰做了主要理論計(jì)算工作；管習(xí)文與Adolfo del Campo是該論文的共同通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)專項(xiàng)基金、面上基金及科技部量子調(diào)控重點(diǎn)專項(xiàng)的支持。 

　　另外，管習(xí)文與上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士鄒海源、美國(guó)喬治梅森大學(xué)教授趙二海及李政道研究所講席教授劉文勝合作研究了Zig-Zag量子自旋體系中精確可解點(diǎn)與對(duì)稱保護(hù)拓?fù)湎啵摴ぷ鞯玫絿?guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)專項(xiàng)基金及科技部量子調(diào)控重點(diǎn)專項(xiàng)的支持。其結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。 

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　　圖：a) 效率h、功W和粒子數(shù)密度 n的關(guān)系 b) 臨界區(qū)相圖及其附件的不同量子熱機(jī)循環(huán) c)相應(yīng)的熱機(jī)循環(huán)過(guò)程中內(nèi)能對(duì)相互作用強(qiáng)度的變化率。這里T為溫度，m為化學(xué)勢(shì)，c是相互作用強(qiáng)度。