撰稿|由课题组供稿
近日，山西大学贾锁堂教授、马杰教授、李玉清副教授实验课题组与理论合作者梅锋教授、胡颖教授共同在相互作作用超冷玻色量子气体局域化的研究中取得重要进展。他们首次在相互作用可精确调控的超冷玻色原子量子气体中合成了一维动量晶格，引入准周期调制的无序势，观测到依赖于系统本征能量的安德森局域化，证明了相互作用可控的迁移率边。该项研究有望在无序系统中实现相互作用可控的量子输运和量子相变。相关研究结果以“Observation of interaction-induced mobility edge in an atomic Aubry-André wire”为题近日发表于国际物理学权威期刊《物理评论快报》【详见Phys. Rev. Lett. 129, 103401 (2022)】。文章同时作为Editors’ Suggestion和Featured in Physics在PRL网站首页重点推荐。Physics杂志以《A Wire on the Edge》为题发表亮点报道。
自然界中大部分物质具有无序结构，研究无序系统中粒子的传播问题是物理学的重要内容。在固体物理中，1958年安德森(P. W. Anderson)提出电子在紊乱的晶格中会出现局域化现象，使导体从金属态转变为绝缘体，这一现象后来被称为安德森局域化。基于安德森局域化理论，在三维无序系统的能谱中发现可能同时存在扩展态和局域态，而区分扩展态和局域态的能量值被称为迁移率边。目前，在很多无相互作用的物理系统中引入无序的随机势，已观测到粒子的安德森局域化效应。相比于三维系统，在无相互作用的一维或二维系统中，任意小的无序随机势均可以使粒子局域化，不存在迁移率边。
不同于无序的随机势，在一维准周期的晶格中引入非公度的在位化学势，可以研究Aubry-André（AA）模型中的安德森局域化效应。超冷原子量子气体具有优越的可调控性，实验上通过构建一维准周期无序势，观测到了超冷原子气体从扩展态到局域态的转变。但已有的相关研究主要聚焦在无相互作用的单粒子模型，研究相互作用超冷原子量子气体中的安德森局域化将为深入理解复杂多体物理系统中一些无序量子现象及形成机理提供了一个理想平台。
最近，研究团队利用相互作用可调控的超冷铯原子量子气体的离散动量态合成了一维动量晶格，精确控制晶格格点势能，构建了准周期AA模型。利用低磁场下的宽带Feshbach共振改变原子间相互作用的正负号，调节动量晶格和准周期无序势的相关参数（图1），通过制备系统负哈密顿量的基态实现系统最高激发态的绝热制备。研究了相互作用对系统不同能量本征态（即系统基态和最高激发态）的安德森局域化动力学行为的影响，观测到排斥相互作用会加快系统基态从扩展到局域化的转变，而吸引相互作用会延缓局域化（图2a）。对于系统的最高激发态，相互作用对局域化效应的影响则刚好相反（图2b）。研究鉴别了不同本征能态的扩展-局域化转变的临界准周期无序强度随相互作用的变化，构建了迁移率边的相图（图2c），所得实验结果可以通过非线性的准周期AA模型解释。
图1 在准周期无序势中的局域化转变，超冷铯原子间的相互作用诱导迁移率边的物理机制（a）和实验装置（b）。
图2 原子相互作用对系统基态（a）和最高激发态（b）局域化跃迁的影响，（c）相互作用可控的迁移率边及相图。
该研究证明了基于相互作用玻色原子量子气体的动量晶格实验为研究准周期无序势中相互作用粒子的安德森局域化效应及迁移率边提供了一个非常理想的平台。研究结果有助于理解由相互作用和无序的竞争引起的新奇物理效应，为未来在无序系统中实现相互作用可控的量子输运和量子相变提供了借鉴。
该工作由山西大学贾锁堂教授、马杰教授、李玉清副教授实验课题组与理论合作者梅锋教授、胡颖教授合作完成。山西大学王云飞博士生为论文第一作者，李玉清副教授、梅锋教授、胡颖教授和马杰教授为通讯作者，张佳辉博士生、武寄洲教授、刘文良讲师、肖连团教授，以及芝加哥大学金政教授共同参与了该项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家基金委重点国际合作研究项目、国家基金面上项目等项目的资助。
论文链接
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.103401
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