近日，深圳大學(xué)量子精密測(cè)量研究所和物理與光電工程學(xué)院的李朝紅-柯勇貫課題組和國(guó)內(nèi)外同行合作揭示了相互作用誘導(dǎo)的連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)，并提出利用拓?fù)浔闷謱?duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)調(diào)控的理論方案，相關(guān)成果于2024年10月3日在物理學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際期刊Physical Review Letters上發(fā)表。
空間上的束縛態(tài)是一種限制在一定空間范圍內(nèi)的局域模式，其能量往往位于延展態(tài)的連續(xù)譜之外。然而，1929年，魏格納和馮·諾依曼發(fā)現(xiàn)在特殊形狀的勢(shì)阱中單粒子束縛態(tài)的能量會(huì)進(jìn)入延展態(tài)形成的連續(xù)譜中，被稱(chēng)為連續(xù)譜中的束縛態(tài)(bound state in the continuum)。之后，人們發(fā)現(xiàn)連續(xù)譜中的束縛態(tài)作為一種干涉效應(yīng)，也廣泛存在于電磁波、聲波、水波等經(jīng)典波動(dòng)體系。連續(xù)譜中的束縛態(tài)由于在激光、非線(xiàn)性光學(xué)、傳感和成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，近年來(lái)重新激發(fā)了人們的研究興趣和熱情。
到目前為止，人們主要聚焦于研究單粒子量子體系或者經(jīng)典波動(dòng)體系中的連續(xù)譜中的束縛態(tài)。基于多粒子量子體系，目前僅有少數(shù)個(gè)案研究提出由缺陷或任意子統(tǒng)計(jì)規(guī)律等因素導(dǎo)致的連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)。在平移不變的多粒子體系中，粒子間的相互作用能否誘導(dǎo)連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)仍然不清楚。此外，如何對(duì)連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)實(shí)施動(dòng)力學(xué)調(diào)控仍然是研究空白。因此，發(fā)展系統(tǒng)的理論方法去探索連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)是一個(gè)急需解決的重要基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。
李朝紅-柯勇貫課題組在具有共同平移對(duì)稱(chēng)性的多粒子體系中首次發(fā)現(xiàn)了相互作用誘導(dǎo)的連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)，并利用拓?fù)浔闷謥?lái)動(dòng)態(tài)調(diào)控連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)。不失一般性，課題組考慮具有時(shí)間和空間周期調(diào)制相互作用的玻色-哈伯德模型。在開(kāi)邊界條件下，連續(xù)譜中的三粒子束縛態(tài)表現(xiàn)為兩粒子束縛對(duì)局域在單粒子駐波的一側(cè)[圖(a)]。在周期性邊界條件下，強(qiáng)相互作用導(dǎo)致了平坦的三粒子能帶，通過(guò)構(gòu)建多粒子萬(wàn)尼爾態(tài)可以得到連續(xù)譜中的三粒子準(zhǔn)束縛態(tài)，其表現(xiàn)為兩粒子束縛對(duì)局域在單粒子駐波的波節(jié)處[圖(b)]。由于連續(xù)譜中的三粒子準(zhǔn)束縛態(tài)是近簡(jiǎn)并的多粒子布洛赫態(tài)的等概率疊加態(tài)，近似為本征態(tài)，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。將連續(xù)譜中的三粒子準(zhǔn)束縛態(tài)作為初態(tài)，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變相互作用可以實(shí)現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)調(diào)控[圖(c)]。經(jīng)過(guò)一個(gè)泵浦周期，三個(gè)粒子整體上移動(dòng)了一個(gè)原胞的長(zhǎng)度，與其對(duì)應(yīng)的多粒子能帶的拓?fù)洳蛔兞恳恢?。令人驚訝的是，在泵浦過(guò)程中單粒子流動(dòng)方向與兩粒子束縛對(duì)流動(dòng)方向相反。這是一種新的多粒子拓?fù)浔闷帜Ｊ?，完全不同于課題組之前預(yù)言的并被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的束縛態(tài)的拓?fù)浔闷忠约巴負(fù)涔舱袼泶?。在之前的關(guān)聯(lián)拓?fù)浔闷种?，所有粒子的運(yùn)動(dòng)方向相同。這些結(jié)果揭示了一般的相互作用多體系統(tǒng)中廣泛存在連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)，并提供了連續(xù)譜中多粒子束縛態(tài)的動(dòng)力學(xué)調(diào)控方案，為系統(tǒng)地尋找連續(xù)譜中的多粒子（準(zhǔn)）束縛態(tài)及其調(diào)控和應(yīng)用鋪平了道路。
該成果以“Interaction-Induced Multiparticle Bound States in the Continuum” 為題發(fā)表在Physical Review Letters上，深圳大學(xué)為第一單位和通訊單位，第一作者黃泊寧為深圳大學(xué)與中山大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，深圳大學(xué)教授李朝紅和研究員柯勇貫為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和廣東省科技廳等機(jī)構(gòu)的資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140202
（供稿 物理與光電工程學(xué)院）
