近日，精密測量院江開軍研究團隊在超冷費米氣體非平衡動力學研究領域取得重要研究進展。研究團隊實驗制備了球形幺正費米氣體，發現體系在自由飛行過程中的動力學演化滿足標度不變性，通過測量呼吸模式證明體系具有SO(2,1)對稱性。該研究成果于2024年6月12日發表在物理學權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，同時被遴選為編輯推薦文章（Editors' Suggestion）。

對稱性在物理學中占據著舉足輕重的地位，它不僅彰顯了自然界的基本規律，更成為理解、描述和預測物理現象的關鍵工具。對稱性描述的是物理系統在面對諸如空間坐標變換、時間反演或內部自由度變換等操作時，其性質仍能維持不變的特性。憑借對稱性原理，人們能夠簡化問題的求解復雜度，更直觀地理解和預測物理現象。標度不變性（Scale Invariance）是指一個物理體系在經歷空間或時間尺度的縮放變換后，其內在性質或結構保持不變的特性。這種性質在物理學、數學和天文學等多個領域中具有重要的應用和研究價值，為探索不同體系的普適規律提供了理論支持。

幺正費米氣體，其s波散射長度趨近無窮大，為標度不變體系。當這種氣體被裝載到一個各向同性的偶極勢阱中時，體黏度和剪切黏度對體系自由膨脹過程的影響會消失，體系將展現出全方位的標度不變膨脹行為。同時，對勢阱中的體系而言，其哈密頓量滿足SO(2,1)李代數關系，這一關系預示著體系將擁有一些獨特的集體激發模式。研究球形幺正費米氣體的動力學行為對加深理解強關聯體系中的非平衡動力學演化很重要，然而，在實驗上制備這樣的氣體卻頗具挑戰。

為了克服這一難題，研究人員創新性地利用兩束橢圓激光來構建各向同性的光偶極阱。他們通過三透鏡系統和PID控制系統對光阱的非球度進行了精細的調控，同時利用特定的梯度磁場來消除重力的影響。進一步地，他們借助磁場Feshbach共振技術，調控了原子間的相互作用強度，使體系成功進入了幺正區域。在成功獲取6Li原子簡并費米氣體后，他們利用光阱轉移技術將費米氣體轉移到了各向同性的光偶極阱中，并通過進一步蒸發冷卻獲得了超低溫的球形幺正費米氣體。

球形幺正費米氣體示意圖

在自由膨脹實驗中，研究人員發現球形幺正費米氣體展現出獨特的標度不變性，這種性質不依賴于方向和溫度條件，是各向異性體系所不具備的。他們進行了精確測量，結果顯示體系在不同溫度下的內能和勢能相等，這驗證了幺正費米氣體的維里定理。此外，研究團隊還觀察了體系的呼吸模式，發現其振蕩頻率恰好為囚禁頻率的兩倍，并且模式的衰減率極低，這為體系具有SO(2,1)對稱性提供了實驗支持。他們還測量了標度不變性被破壞時體系的自由膨脹行為，并在BEC-BCS渡越區間獲得了連接化學勢與原子密度的有效指數，實驗結果與平均場理論計算定性一致。???????

不同溫度條件下幺正費米氣體的膨脹行為滿足標度不變性

(a)不同溫度條件下幺正費米氣體的自由膨脹行為。作為比對，圖中還顯示了無相互作用理想氣體的膨脹行為

(b)經過標度變換后，幺正費米氣體和無相互作用費米氣體的膨脹行為相同

球形幺正費米氣體的呼吸模式振蕩行為

該研究工作揭示了球形幺正費米氣體的標度不變性，并首次對具有SO(2,1)對稱性的三維超冷費米氣體進行了實驗研究，為將來研究具有共形不變性體系的非平衡動力學行為奠定了基礎。

研究成果以“Scale Invariance of a Spherical Unitary Fermi Gas” 為題發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。精密測量院博士生王璐、博士后嚴祥傳和博士生閔靖為共同第一作者，助理研究員孫大立和研究員江開軍為通訊作者。

該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院和湖北省等項目的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.243403