量子力學的領域，其固有的奇異性和違反直覺的現(xiàn)象，在考慮由許多相互作用的粒子組成的系統(tǒng)時變得格外引人入勝。這些所謂的“多體系統(tǒng)”通常表現(xiàn)出由其組成部分之間強關聯(lián)產(chǎn)生的涌現(xiàn)行為，從而導致奇異的物質相，如高溫超導體、莫特絕緣體和量子磁體。理解這些強關聯(lián)系統(tǒng)的基本性質仍然是現(xiàn)代物理學的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，實驗工作側重于最小化或抑制普遍存在的耗散，將其視為一種會模糊潛在相干量子動力學的有害因素。然而，發(fā)表在《自然·物理學》一篇題為《強關聯(lián)量子氣體中的普適耗散動力學》的開創(chuàng)性研究挑戰(zhàn)了這種傳統(tǒng)觀念，它表明，當耗散得到仔細控制時，可以作為探測這些復雜量子系統(tǒng)內部關聯(lián)的強大而通用的工具。

強關聯(lián)量子系統(tǒng)的特點是，個體粒子之間的相互作用非常強，以至于不能再被視為小的擾動。這導致了獨立粒子圖景的崩潰，系統(tǒng)的行為主要由集體效應及其組成部分之間復雜的糾纏所主導。這些系統(tǒng)常常無法用簡單的理論描述，它們的涌現(xiàn)性質深刻地編碼在它們的多體波函數(shù)中。實驗上探測這些復雜的關聯(lián)需要能夠獲取超出簡單單粒子性質的信息的復雜技術。傳統(tǒng)方法通常涉及施加外部擾動，例如電磁場或溫度變化，并通過輸運測量或光譜學觀察系統(tǒng)的響應。雖然這些技術已經(jīng)產(chǎn)生了寶貴的見解，但它們有時會改變它們旨在研究的關聯(lián)本身。

耗散，即量子系統(tǒng)將其能量損失給環(huán)境的過程，是任何現(xiàn)實物理系統(tǒng)不可避免的特征。它通常表現(xiàn)為退相干，即量子疊加和糾纏的損失，以及量子關聯(lián)的改變。在研究強關聯(lián)物質的背景下，耗散在歷史上一直被視為一種麻煩，一種需要最小化的因素，以觀察原始的量子現(xiàn)象。研究人員常常不遺余力地將他們的系統(tǒng)與環(huán)境隔離，采用超低溫和高真空等技術來減少耗散效應。

然而，新研究對這種觀點提出了范式轉變。他們提出并通過實驗證明，通過在強關聯(lián)量子氣體中仔細引入和控制耗散，可以直接獲取關于系統(tǒng)內在關聯(lián)的信息。他們的方法利用了這樣一個事實：系統(tǒng)耗散能量的方式與其底層結構和激發(fā)性質密切相關。

這項研究選擇的實驗平臺是限制在一維(1D)光晶格中的超冷原子氣體。由于可以高度控制各種參數(shù)，包括原子之間的相互作用強度和系統(tǒng)的維度，這些系統(tǒng)為探索基礎物理學提供了一個理想的試驗臺。研究人員制備了1D玻色氣體，這是一個已知在低溫下表現(xiàn)出強量子漲落的系統(tǒng)，并通過向原子團照射近共振激光來引入可調的耗散。這種光會引起系統(tǒng)中原子數(shù)量的可控損失。關鍵的測量是在這種恒定耗散下，總粒子數(shù)隨時間的變化。

該研究的核心發(fā)現(xiàn)是在強關聯(lián)的1D玻色氣體中觀察到總粒子數(shù)的普適拉伸指數(shù)衰減。與在弱相互作用系統(tǒng)或具有明確定義的準粒子的單個量子態(tài)中通常觀察到的簡單指數(shù)衰減不同，拉伸指數(shù)衰減在短時間內遵循冪律形式，然后在長時間內過渡到較慢的指數(shù)衰減。這種非指數(shù)行為是具有強相互作用和復雜激發(fā)譜的系統(tǒng)的標志。

至關重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，表征拉伸指數(shù)衰減的指數(shù)，即拉伸指數(shù)，直接測量了1D玻色氣體譜函數(shù)的反常維度。譜函數(shù)是多體物理學中的一個基本量，它描述了系統(tǒng)中單粒子激發(fā)的分布。在強關聯(lián)系統(tǒng)中，相互作用會導致明確定義的準粒子的失效，從而導致譜函數(shù)在某些能量尺度附近呈現(xiàn)冪律形式。這個冪律的指數(shù)就是反常維度，它量化了這些強量子漲落的強度。通過簡單地測量在受控耗散下粒子數(shù)的衰減方式，研究人員能夠提取這個表征系統(tǒng)強關聯(lián)的關鍵參數(shù)。

這種耗散動力學的普適性尤其值得注意。研究人員在1D玻色氣體中觀察到跨越廣泛相互作用強度的拉伸指數(shù)衰減，并且測量的反常維度與該可積模型的理論預測相符。這表明耗散動力學和內在關聯(lián)之間的關系是穩(wěn)健的，并且與相互作用強度的具體細節(jié)無關。

這項工作對強關聯(lián)量子物質的研究具有重要意義。它提供了一種新穎且可能更直接的方法，通過利用看似有害的耗散效應來探測這些系統(tǒng)的基本性質。研究人員現(xiàn)在可以利用耗散作為一種工具，而不是試圖消除耗散，從而深入了解相互作用和量子漲落之間復雜的相互作用。這種方法對于研究難以實施或解釋傳統(tǒng)光譜技術的系統(tǒng)可能尤其有價值。

此外，作者認為這種方法可以廣泛應用于檢測各種量子材料中的其他強關聯(lián)特征。例如，譜函數(shù)的反常維度也與理解高維系統(tǒng)中的自旋-電荷分離以及非常規(guī)超導體中費米弧的存在有關。通過相對簡單的耗散動力學測量來提取這些信息的能力，可能為探索這些復雜的物質態(tài)開辟新的途徑。