强磁场与涡旋场中的夸克胶子物质

相对论重离子碰撞可以产生高温的夸克胶子物质，同时也产生极强的电磁场和流体涡旋。在强电磁场和涡旋场中的夸克胶子物质呈现出新奇的宏观量子现象，比如手征磁效应、手征涡效应、手征分离效应、手征电分离效应、自旋极化现象等。它们一方面给我们提供了可以探测高温下量子色动力学的非平庸规范场拓扑结构、强相互作用的宇称破坏、夸克胶子物质中的自旋动力学等的实验手段，另一方面也与物理学其他分支，比如粒子物理、凝聚态物理、天体物理、冷原子物理等发生紧密联系，形成新的交叉研究领域。本文旨在对这些宏观量子现象的产生机制以及它们在相对论重离子碰撞中的探测等做一回顾和展望。特别地，我们揭示出重离子碰撞的磁场强度可以达到$10^{18}\sim 10^{20}$ G，流体涡旋可以达到$10^{22}$ s–1；这是我们已知当前宇宙中最强的磁场和流体涡旋。我们定量地对同量素碰撞实验做了分析，发现即便背景比例达到93%以上，当前的同量素碰撞实验仍然可在大约$3\sigma$的显著性水平上判断是否有手征磁效应的发生。我们系统地给出了满足因果律的自旋流体力学方程，并推导了其中的集体激发模式，这将有助于理解超子自旋极化中出现的符号问题。     

自旋与手征动力学的输运模拟研究

自旋相关的物理是多个研究领域的热门课题。核子和夸克都是自旋为1/2的费米子，在非对心重离子碰撞中受到自旋-轨道相互作用以及磁场的影响，会产生有趣的自旋动力学，特别是在垂直于反应平面方向上会出现自旋极化。在相对论重离子碰撞中，由于产生了极端的高温高密环境，夸克可以近似看作无质量粒子，此时自旋动力学过渡为手征动力学。在外界电磁场、涡旋场作用下以及在电荷与手征荷不对称的条件下，会产生一系列手征反常效应。本文介绍我们课题组基于输运模拟在自旋与手征动力学方面开展的一系列研究工作，包括中能重离子碰撞及相对论重离子碰撞中粒子的自旋极化、理想体系及相对论重离子碰撞中的手征磁波等。     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

(2+1)维手征Gross-Neveu模型的顶角修正和相结构

本文在1/N展开下计算了(2+1)维手征Gross-Neveu模型的顶角修正和费米子质量修正,并根据手征Ward-Takahashi恒等式得到的费米子质量公式讨论了1/N阶的相结构.结果表明,利用手征Ward-Takahashi恒等式来研究手征对称性的破缺有利于讨论手征对称性的高阶性质.     

反铁磁链中Dzyaloshinskii–Moriya机制驱动矢量自旋手征束缚态的研究

Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用驱动的矢量自旋手征态，能和声子发生耦合，具备非常丰富的物理现象.本论文以一维反铁磁链中自旋手征-声子耦合模型为基础，研究不同声子环境下，耦合强度对自旋手征动力学演化过程的影响规律.结果表明，对自旋S=1/2的系统，在不同的声子浴(sub-Ohmic(0 1))中，均会在非相干到相干自旋涨落过程中产生无能隙一级相变，其来源是自旋手征束缚态的形成.相变发生的临界自旋-声子耦合强度正比于自旋涨落大小，反比于系统德拜频率.当自旋-声子耦合强度超过其临界值时，自旋手征束缚态的产生将极大地抑制非相干自旋涨落.     

N—N相互作用中自旋轨道耦合力的夸克模型

在夸克-夸克相互作用中考虑了单胶子交换的自旋轨道耦合力、由禁闭势导出的自旋轨道耦合力、由手征场σ交换提供的自旋轨道耦合力以及由双胶子交换提供的自旋轨道耦合力,从而可以统一地解释重子谱中的自旋轨道耦合效应及N-N散射中的各个分波的相移.     

双能态自旋-晶格声子耦合量子隧道系统的非经典能态和量子相干耗散

采用关联表象变分波函数方案, 介入三个非经典关联效应, 求解有限温度双能态自旋-晶格声子耦合量子隧道系统的非经典态, 着重研究化解由于粒子自旋-单声子相互作用引起的量子涨落导致双能态系统的退相干性量子耗散. 这三个非经典关联效应是: 1) 声子位移-粒子自旋 (σ_z)间强非绝热关联; 2) 声子压缩态效应及其伴随发生的单声子相干态-声子压缩态两过程相干效应; 3) 由关联表象导致的声子位移(U_D)与声子压缩(U_S)的表象关联非绝热修正. 结果表明: 由于引入粒子自旋-双声子相互作用, 大幅度地增强了声子场压缩态, 特别是更进一步极大幅度地增强了非经典压缩-相干态效应. 因此, 由粒子自旋-单声子相互作用产生的Debye-Walle相干弹性散射效应导致量子隧道项(-Δ₀σ_x)的强烈指数衰减及其伴随严重的量子相干损失的极大幅度的抑制, 并且自旋-晶格声子耦合量子隧道系统的非经典态能量大幅度降低. 关键词： 非经典能态 量子隧穿相干损失 自旋-双声子相互作用 压缩相干态效应     

致密双星后牛顿偏心轨道的引力波研究

本文主要研究非保守的后牛顿哈密顿自旋致密双星偏心轨道的引力辐射,数值比较保守的和非保守的自旋致密双星系统轨道参量偏心率大小与 引力波形的关系及引力辐射耗散效应项对轨道动力特性的影响. 数值研究表明：由于系统能量积分被保持,保守的双星轨道偏心率值改变对时域引力波形变化影响不是很明显,但辐射的引力波频率分布范围随着偏心率的增大而扩大. 而当运动方程中包含2.5PN引力耗散效应项时,由于引力辐射时伴随着能量和角动量损失,导致双星两体之间的距离和轨道偏心率逐渐衰减,轨道动力特性变得更加复杂. 双星旋进合并过程中辐射的引力波受到轨道偏心率的调制,引力辐射的强度随着偏心率的增大而增强,而引力辐射持续的时间缩短,且自旋与自旋耦合效应项对引力的贡献增大了. 关键词： 非保守的 引力辐射 耗散 偏心率     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

二维量子点中极化子的自旋弛豫

在考虑Rashba自旋-轨道耦合的条件下, 采用二次幺正变换和变分方法研究了二维抛物量子点中由于电子与体纵光学声子的耦合作用形成的极化子在基态Zeeman分裂能级上的自旋弛豫过程.这一过程主要是通过吸收或发射一个形变势或压电声学声子完成.具体分析了强、弱耦合两种极限下极化子自旋弛豫率与外磁场、量子点半径、Landau因子参数、Rashba自旋轨道耦合参数的变化关系. 关键词： 自旋弛豫 极化子 Rashba自旋轨道耦合 量子点     

三角阱中考虑Rashba效应的极化子声子平均数（英文）

本文采用改进的线性组合算符和幺正变换相结合的方法,推导出了考虑自旋和轨道相互作用即Rashba效应影响下的三角量子阱中弱耦合极化子的声子平均数,讨论了极化子的声子平均数随电-声子耦合常数和自旋轨道耦合常数的变化.通过取极化子单位后计算结果并绘图表明:电-声子耦合作用和Rashba效应对极化子的声子平均数均有影响,而且发现声子平均数随因为电-声子耦合作用和Rashba效应的增强均会增加.     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

自旋阻挫重费米子体系中的量子相变

近藤效应和RKKY交换相互作用的竞争决定了多数重费米子化合物的基态性质。通过压力、磁场等非热力学参量调控,该类材料能够在绝对零温附近实现费米液体和磁有序相之间的连续转变,提供了研究量子相变的理想平台。另一方面,在绝缘的量子磁体中,自旋阻挫引起的量子涨落抑制低温下长程磁有序的发生,导致自旋液体相等新奇物态的产生。在近藤晶格中引入自旋阻挫将给重费米子材料提供一个新的调控维度,深刻改变该类材料的量子临界相图,是重费米子材料领域的一个新颖研究方向。文章首先介绍阻挫重费米子体系的研究背景,然后针对Ce Pd Al的物性展开讨论,探讨阻挫对重费米子材料量子临界物性的影响以及量子临界相的普适性。     

基于量子点相干光学谱的马约拉纳费米子探测（英文）

研究了半导体纳米线/超导体复合结构中的马约拉纳费米子的存在情况,提出一种用相干光学谱探测马约拉纳费米子的全光学方法.将一束较强的泵浦激光和一束较弱的探测激光同时作用于半导体量子点,由系统的哈密顿量导出半导体量子点的相干光学谱.数值模拟结果表明,相干光学谱中呈现出由半导体量子点与马约拉纳费米子耦合诱导的明确的马约拉纳费米子迹象.半导体量子点与马约拉纳费米子之间的无接触性,避免了探测中杂质信号的引入.半导体量子点与马约拉纳费米子间的耦合强度和探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度呈正比,可通过测量分裂宽度获得耦合强度,为耦合强度的确定提供了直观的测量方法.     

在(2+1)维手征Gross-Neveu模型中有限温度的Ward-Takahashi恒等式和手征相变

本文导出了(2+1)维手征Gross-Neveu模型在有限温度下的手征Ward-Takahashi恒等式.根据手征Ward-Takahashi恒等式讨论有限温度下费米子质量的质量谱.利用费米子的动力学质量为序参量讨论了相结构和手征相变,给出了相变的临界温度.     

Einstein-Bumblebee引力理论中的Kerr-Sen-like黑洞玻色子隧穿辐射

Lorentz-breaking理论不仅对弯曲时空背景有影响,而且对于在弯曲时空中的玻色子和费米子的动力学方程都有一定的修正.因此,我们需要在不同的黑洞时空中对玻色子和费米子的量子隧穿辐射进行适当的修正.从而得到经过Lorentz-breaking理论修正后的黑洞Hawking温度等物理量的新表达式及其物理意义.本文根据Einstein-Bumblebee引力理论中得到的Kerr-Sen-like (KSL)黑洞时空度规,在标量场作用量中引入aether-like场矢量修正项和弯曲时空中的d’Alembert算符并应用弯曲时空中的变分原理,研究了此时空度规中的Lorentz-breaking修正项及KSL时空中自旋为零的含有Lorentz-breaking修正项的玻色子动力学方程的新形式.通过正确选择与KSL时空度规相对应的aether-like场矢量,求解修正的玻色子动力学方程,得到了修正的量子隧穿率,并在此基础上研究了含有Lorentz-breaking修正项的此黑洞的Hawking温度和Bekenstein-Hawking熵.此外,还研究了Lorentz-breaking效应对玻...     

N—N相互作用中自旋轨道耦合力的夸克模型

在夸克－夸克相互作用中考虑了单胶子交换的自旋轨道耦合力、由禁闭势导出的自旋轨道耦合力、由手征场σ交换提供的自旋轨道耦合力以及由双胶子交换提供的自旋轨道耦合力，从而可以统一地解释重子谱中的自旋轨道耦合效应及Ｎ－Ｎ散射中的各个分波的相移．     

Rashba自旋-轨道耦合下二维双极化子的基态性质

在考虑Rashba自旋-轨道耦合效应下,基于Lee-Low-Pines变换,采用Pekar型变分法研究了量子点中双极化子的基态性质.数值结果表明,在电子-声子强耦合(耦合常数α6)条件下,量子点中形成稳定双极化子结构的条件(结合能E_b0)自然满足;双极化子的结合能E_b随量子点受限强度ω_0、介质的介电常数比η和电子-声子耦合强度α的增大而增加,随Rashba自旋-轨道耦合常数αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;Rashba效应使双极化子的基态能量分裂为E(↑↑),E(↓↓)和E(↑↓)三条能级,分别对应两电子的自旋取向为"向上"、"向下"和"反平行"三种情形;基态能量的绝对值|E|随η和α的增加而增大,随αR的增加表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;在双极化子的基态能量E中,电子-声子耦合能所占据的比例明显大于Rashba自旋-轨道耦合能所占比例,但电子-声子耦合与Rashba自旋-轨道耦合间相互渗透、彼此影响显著.     

双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性

Majorana费米子是其自身的反粒子, 在拓扑量子计算中有着重要的应用. 利用粒子数表象下的量子主方程方法, 研究双量子点与Majorana费米子混合结构的电子输运特性, 特别是散粒噪声. 有无Majorana费米子耦合的电流与散粒噪声存在明显差别: 有Majorana费米子耦合时稳态电流差呈反对称, 噪声谱呈现相干振荡并且低频噪声显著增强. 量子点与Majorana费米子对称弱耦合时, 零频噪声由"峰"变为"谷", 并且"边谷"展宽逐渐减小; 当对称强耦合时, 零频噪声的谷深增加, "边谷"向高频端移动. 改变系统与电极的耦合强度时, 零频噪声由谷变成峰. 因此, 稳态电流结合散粒噪声可以探测双量子点结构中Majorana费米子是否存在.     

探索“手征电子学”——第二类外尔半金属的手征输运

<正>1929年,物理学家Hermann Weyl理论预言了一种质量为零的相对论性费米子,称为"外尔费米子"~([1])。独特的是,这种费米子具有两种不同的类型,可以用"手征"来表示,其中一种费米子的自旋和动量方向平行,而另一种费米子相反,称它们分别具有"右手"和"左手"手征,如同人的左手和右手一样,具有镜像对称性。通