中國科學院精密測量科學與技術創新研究院管習文科研團隊與美國萊斯大學教授蘭迪·休利特和教授浦晗團隊合作，通過囚禁一維超冷費米氣體首次確定性觀測到自旋-電荷分離的奇特現象，并發現該體系中由自旋反向散射(backward scattering)引起的非線性朝永-拉亭戈液體效應。相關研究成果于6月17日發表在《科學》上。

粒子間復雜的相互作用和系統豐富的內部自由度通常給系統物理特性的描述帶來挑戰。在一維量子多體物理中，朝永-拉亭戈液體理論通常被用來描述一維多體系統的低能普適行為。一維相互作用費米子的低能激發通常分裂成兩支獨立的朝永-拉亭戈液體，它們分別刻畫攜帶自旋和電荷的分數化準粒子的集體運動，該現象被稱為自旋-電荷分離(圖1)，是一維量子多體物理中獨特的普適規律。科學家在一維固體材料發現一些與自旋-電荷分離現象相關的證據(evidence)，然而對于該現象至今缺乏確定性(conclusive)的實驗驗證，理論如何表征自旋-電荷分離現象以及相關實驗的調控方法是公認的難題。

2018年起，研究團隊通過研究一維相互作用費米氣體楊-高丁模型(Yang-Gaudin model)的精確解，發現在長波極限下該模型中的電荷自由度的粒子-空穴集體激發和自旋自由度的分數化準粒子(自旋子)激發可完美形成分離的自旋密度波和電荷密度波，通過布拉格譜可以分別測得自旋和電荷的動力學結構因子【dynamics structure factor(DSF)】，該物理量揭示了量子液體中多體關聯的本質。因此，通過對相關集體激發譜的DSF的測量可以實現對自旋-電荷分離現象的確定性驗證，該理論預言在2020年發表在《物理評論快報》上【Physical Review Letters 125,190401 (2020)】。

2020年至今，研究團隊進一步合作通過囚禁一維超冷原子實驗驗證了該量子多體物理的普適規律。在囚禁的一維超冷6Li費米原子中，科研人員對電荷DSF的測量選擇了精細能級|1> and |2> (|F = 1, MF = ±1/2)作為自旋態，2P3/2態為激發態，對自旋DSF的測量選擇了精細能級|1> and |3> 作為自旋態，3P3/2態為激發態(圖2A-D)。研究通過布拉格光分別激發電荷與自旋密度波，并調控不同相互作用強度測量出其相應的電荷和自旋的布拉格譜(圖2E)。在不同相互作用下布拉格譜的峰值給出了相應的電荷和自旋的傳播聲速(圖2F)。在理論方面，科研人員通過復雜的三維粒子數分布獲得了一維管狀系統中的密度分布，進一步利用一維相互作用費米氣體楊-高丁模型精確解和朝永-拉亭戈液體理論精確計算了囚禁冷原子電荷與自旋的DSF。考慮了電荷激發譜中的曲率修正和自旋激發譜中的反向散射引起的非線性效應后，理論與實驗結果十分吻合。該工作在國際上首次通過超冷原子實驗驗證了自旋-電荷分離現象的朝永-拉亭戈液體理論，并給出非線性拉亭戈液體理論的有力證據，為將來基于原子分子和光物理的精密測量科技提供了新思想。

相關研究成果以《具有可控相互作用一維費米氣體中的自旋-電荷分離》(Spin-charge separation in a 1D Fermi gas with tunable interactions)為題，發表在《科學》(Science)上。研究工作得到國家自然科學基金項目及科技部重點研發計劃的資助。

圖1

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《科學》亮點工作介紹配圖