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[转载]FOP | 前沿研究：二维非厄米费米超流中揭示FFLO态调控新机制

已有 477 次阅读 2025-12-11 14:31 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

非厄米物理作为量子力学的重要延伸，因其能精准描述开放量子体系的耗散与非平衡特性，已成为量子科学前沿的研究热点。然而，当前研究多聚焦于单粒子物理，针对多体非厄米系统（如费米超流）的探索仍处于起步阶段，尤其对其中奇异配对态的存在与调控规律缺乏系统认知。Fulde−Ferrell−Larkin−Ovchinnikov（FFLO）态作为一种典型的非均匀超流态，其核心特征是具有有限质心动量的配对序参量，形成空间调制结构，在自旋不平衡条件下展现出独特物理性质。但长期以来，FFLO态的实验实现与精准探测面临严峻挑战，不仅需要极低温、高分辨率等极端条件，其在开放耗散环境中的稳定性问题更未得到有效解决。

近日，中国人民大学、中国科学院理论物理研究所及北京量子信息科学研究院的联合研究团队（Siqi Wang, Yue-Ran Shi & Wei Zhang）在Frontiers of Physics发表题为 “Fulde−Ferrell−Larkin−Ovchinnikov states in two-dimensional non-Hermitian fermionic superfluidity” 的研究成果。该研究首次将FFLO态的研究拓展至二维非厄米费米超流系统，通过严谨的理论推导与数值模拟，明确了FFLO态的存在条件、调控规律及识别特征，为非厄米多体物理与超冷原子领域提供了关键理论支撑。

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研究团队扩展了传统BCS平均场理论，使其适用于非厄米哈密顿量体系。针对二维自旋不平衡费米系统，引入复数值相互作用（实部为吸引相互作用，虚部为两体损耗项），推导出适用于耗散环境的平均场热力学势与鞍点方程。该框架将“耗散效应”与“费米子配对”纳入统一体系，突破了传统理论仅适用于封闭厄米系统的局限。通过系统的数值模拟，研究团队揭示了FFLO态稳定性的核心调控因素及其竞争关系：1）自旋不平衡的促进作用：化学势差（δμ）越大，FFLO态的稳定区域越广。当自旋不平衡达到特定阈值时，系统会形成特殊的 “π-FFLO相” ，其配对质心动量固定为π/d（d为晶格常数），源于两种自旋组分能带结构反转诱导的嵌套效应。2）耗散强度的抑制作用：两体损耗率（γ）升高会显著压缩FFLO态的稳定区域。当损耗超过临界值时，FFLO态因非弹性碰撞增强而解体，系统转变为亚稳BCS态或正常态。这一规律的发现，为实验中通过精准调控自旋极化与耗散强度来实现FFLO态的“按需制备”提供了清晰的参数路径。

针对FFLO态实验识别难的瓶颈问题，研究团队发现非厄米环境下的FFLO态具有特异性的空间不对称特征，与空间对称的传统BCS态形成鲜明对比：1）准粒子能谱不对称：能谱实部（激发能）沿质心动量方向偏移，呈现显著各向异性；能谱虚部（准粒子寿命）虽保持对称，但整体反映了耗散诱导的有限寿命效应。2）粒子动量分布不对称：自旋向上与向下粒子的动量分布实部存在显著差异，沿特定方向呈现非对称聚集。这些空间不对称特征可作为实验中识别FFLO态的信号，有效解决了其“难以观测与验证”的难题。

研究团队绘制了清晰的零温相图，明确了FFLO态在“相互作用强度-两体损耗率”参数空间中的稳定区域。随着自旋不平衡增强，FFLO相的稳定区域显著扩张，验证了“自旋不平衡促进FFLO配对”的核心结论。对关键物理量（如配对序参量、质心动量、热力学势）的演化分析进一步表明，进入FFLO态的相变属于一级相变，并量化了其稳定性随相互作用强度增强而提升的规律。

该研究首次系统性证实了二维非厄米费米超流中FFLO态的存在，核心结论如下：1）在非厄米环境中，FFLO态可通过有限质心动量配对稳定存在，其形成依赖于复数值相互作用与自旋不平衡的协同调控。2）自旋不平衡增强可扩大FFLO态稳定区域，而耗散增强则抑制FFLO态，二者竞争决定系统基态。3）FFLO态的空间不对称特征可作为实验识别的特异性标志。

本研究填补了非厄米多体物理中FFLO态研究的空白，为探索耗散环境中的其他新奇量子态提供了可复用的理论工具。实验层面，明确了FFLO态的调控参数与识别标志，极大降低了在超冷原子、光晶格等平台上的探索难度。在应用层面，提出了通过调控自旋不平衡与耗散强度实现FFLO态的新机制，为简化拓扑量子器件（如量子传感器、非互易传输器件）的设计奠定了理论基础，有望推动量子科技领域的创新发展。未来，研究团队将进一步聚焦FFLO态的动力学性质及其在超冷原子实验中的验证，持续丰富非厄米多体物理的研究体系。

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RESEARCH ARTICLE

Fulde−Ferrell−Larkin−Ovchinnikov states in two-dimensional non-Hermitian fermionic superfluidity

Siqi Wang, Yue-Ran Shi, Wei Zhang

Frontiers of Physics 2026, 21(6): 065201

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