基本信息
- 项目名称：
- 一维无序系统中相对论性粒子的非局域化及其在冷原子中的实现
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 人们通常认为当粒子速度接近光速时才有明显的相对论性效应。你能想象超低速运动的冷原子也表现出明显的相对论效应吗？在此作品中，我们将证明以十亿分之一光速运动的超冷原子，在特定的非阿贝尔势中，相对论效应明显，并需要用一维相对论狄拉克方程来描述。我们进一步研究了一维无序链中的相对论性粒子的局域化，并发现由于手征对称性，零质量的粒子完全处于扩展态，从而与著名的安德森局域化的传统观点形成鲜明对比。最后我们阐述如何利用现行的冷原子实验技术，探测所预言的相对论性效应。
- 详细介绍：
- 安德森局域化是凝聚态物理中重要的基本概念，描述的是固体中杂质和缺陷等各种无序对电子的影响，解释了为什么掺杂可以实现金属—绝缘体转变等重要问题。安德森等人因“对磁性和无序系统的电子结构的基础研究”而获1977年诺贝尔物理学奖。因为凝聚态系统中（准）粒子的有效速度远远小于光速，一般用非相对论性的薛定谔方程描述，所以以前对电子局域化的研究往往局限于非相对论性范畴，并存在一个著名的结论：一维无序系统中的电子总是处于局域态。 对相对论性粒子，安德森局域化问题研究得不多。最近，由于“单层石墨”（graphene）的实验实现和其中的电子要用相对论狄拉克方程描述；相对论性粒子的性质引起了粒子物理以及凝聚态物理领域的科研人员的广泛关注。我们自然可以提出一个基本问题：安德森局域化是否可以推广到相对论范畴？非相对论情况中得到的一些著名结论是否还适用于相对论性粒子呢？在以往的文献中，这个问题并没有明确的答案。另外，在实验方面，如何模拟和探测相对论性粒子的局域化性质同样是一个充满挑战的难题。 我们的论文在一维情况下基本回答了上述问题：一是研究了相对论性粒子在一维无序系统中的安德森局域化问题，通过数值计算和解析计算得到明确和非相对论粒子不同的结果；二是提出了用超冷原子观察相对论粒子的安德森局域化的可行实验方法。我们的工作以及研究结论可以分为以下四点： 1.将转移矩阵方法和标度理论推广到相对论性范畴，在此基础上可以进行充分的数值计算，从而得到明确的结论：有质量的相对论性粒子在一维无序系统中也总是处于局域态，但局域化长度总是比非相对论粒子的长。 2.对于粒子有效质量为零的特殊情况，模型是严格可解的，而且解析结果明确表明，不管无序程度如何，零质量的相对论性粒子总是处于扩展态。这和非相对论粒子的著名结论，一维无序系统中的电子总是处于局域态不同。 3.对上述结论的物理背景进行充分分析，揭示克莱因隧穿效应所起的作用，以及手征对称性保证了零质量狄拉克粒子的非局域化。 4.根据目前迅速发展的冷原子实验技术，设计了一个可行的实验方案，能够用于模拟理论所需系统以及检验理论结果，使结论具有实验检验的可能性和可行性，同时也为模拟凝聚态物理体系的研究提供一种实验方案。 我们提出的实验方法有几个关键技术：一是控制原子间相互作用；二是制造无序势；三是在冷原子团中产生有效的非阿贝尔规范势。值得一提的是，在2008年分别由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)]组成的两个实验小组成功观测到BEC中(非相对论)的安德森局域化，实验中很好地控制冷原子间的相互作用，也利用了激光光斑（laser speckle）技术产生光学无序势。此外，近期由诺贝尔物理学奖得主WD Phillips领导的NIST实验组在铷原子的BEC中实现了光诱导（阿贝尔）规范势[Phys. Rev. Lett. 102, 130401 (2009)]。冷原子技术发展非常迅速，我们有理由相信能进一步实现光诱导的非阿贝尔规范势，基于这些实验技术，文中的实验方法以及预言的结论是可能在实验室中实现。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 凝聚态体系中相对论性粒子的性质是当前学术界的一个前沿研究领域，而相对论性粒子的安德森局域化是其中的一个重要课题。撰写本文的目的和思路分为两点：一是研究相对论性粒子在一维无序链中的局域化问题。我们在推广非相对论的转移矩阵方法和标度理论的基础上，通过数值和解析计算得出有创新的结果。二是提出检验理论的可行实验方案。我们提出利用光诱导规范场中的超冷原子可以模拟并探测所预言的相对论性粒子的局域化性质。
科学性、先进性及独特之处
- 通常认为当粒子速度接近光速时相对论性效应才明显。然而我们证明以十亿分之一光速运动的超冷原子，在特定的非阿贝尔势中，相对论效应明显，并需要用一维相对论狄拉克方程来描述。我们进一步研究了一维无序链中的相对论性粒子的局域化，并发现由于手征对称性，零质量的粒子完全处于扩展态，从而与著名的安德森局域化的传统观点形成鲜明对比。最后我们阐述如何利用现行的冷原子实验技术，探测所预言的相对论性效应。
应用价值和现实意义
- 1.审稿人评价该论文有趣和原创，有助于更深地理解相对论物理的一个普遍认识。2.关于“零质量狄拉克粒子非局域化”的结论，突破了对于一维无序体系的安德森局域化的传统认识。3.属于当前物理、器件等多领域科研人员共同关注的课题，可能对现在的电子工业有重大影响，也能够为研究新型材料奠定理论基础。4.实验方案不仅可以检验理论结果，而且能为进一步研究相对论性粒子的性质，以及发现新现象提供一个可行的实验平台。
学术论文摘要
- 在这篇论文中，我们研究一维无序链中的相对论性粒子的安德森局域化性质。我们发现在相同的无序程度下，相对论性粒子的局域化长度比非相对论性粒子的更长，表明相对论性粒子更趋于非局域态。更有趣地，由于手征对称性，不论系统的无序程度多大，零质量的相对论性粒子完全处于扩展态。这为我们提供一个独特的例子，突破了著名的一维安德森局域化的传统认识：非相对论粒子在一维无序系统中总是处于局域态。我们进一步提出一个实验方案：利用光诱导规范场中的超冷原子模拟理论所需系统，并探测所预言的相对论性粒子的（非）局域化性质。
获奖情况
- 论文于2009年5月19日被Physical Review Letters正式接收（见材料三），于5月29日正式发表（见材料四）。 期刊简介：Physical Review Letters通常翻译成《物理评论快报》，由美国物理学会主办，现SCI影响因子为7.180；被公认为物理学一级学科国际最权威的学术期刊。
鉴定结果
- 发表SCI论文： Phys. Rev. Lett 102, 210403 (2009) (见材料一)；
参考文献
- [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).
同类课题研究水平概述
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