近日，深圳大學量子精密測量研究所和物理與光電工程學院的李朝紅-柯勇貫課題組和國內(nèi)外同行合作揭示了相互作用誘導的連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)，并提出利用拓撲泵浦對其進行動力學調(diào)控的理論方案，相關成果于2024年10月3日在物理學領域頂級國際期刊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)在特殊形狀的勢阱中單粒子束縛態(tài)的能量會進入延展態(tài)形成的連續(xù)譜中，被稱為連續(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，也廣泛存在于電磁波、聲波、水波等經(jīng)典波動體系。連續(xù)譜中的束縛態(tài)由于在激光、非線性光學、傳感和成像等領域具有潛在的應用前景，近年來重新激發(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)個案研究提出由缺陷或任意子統(tǒng)計規(guī)律等因素導致的連續(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連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)仍然不清楚。此外，如何對連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)實施動力學調(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)是一個急需解決的重要基礎科學問題。

李朝紅-柯勇貫課題組在具有共同平移對稱性的多粒子體系中首次發(fā)現(xiàn)了相互作用誘導的連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)，并利用拓撲泵浦來動態(tài)調(diào)控連續(xù)譜中的多粒子束縛態(tài)。不失一般性，課題組考慮具有時間和空間周期調(diào)制相互作用的玻色-哈伯德模型。在開邊界條件下，連續(xù)譜中的三粒子束縛態(tài)表現(xiàn)為兩粒子束縛對局域在單粒子駐波的一側[圖(a)]。在周期性邊界條件下，強相互作用導致了平坦的三粒子能帶，通過構建多粒子萬尼爾態(tài)可以得到連續(xù)譜中的三粒子準束縛態(tài)，其表現(xiàn)為兩粒子束縛對局域在單粒子駐波的波節(jié)處[圖(b)]。由于連續(xù)譜中的三粒子準束縛態(tài)是近簡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)，在相當長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。將連續(xù)譜中的三粒子準束縛態(tài)作為初態(tài)，通過動態(tài)改變相互作用可以實現(xiàn)其動力學調(diào)控[圖(c)]。經(jīng)過一個泵浦周期，三個粒子整體上移動了一個原胞的長度，與其對應的多粒子能帶的拓撲不變量一致。令人驚訝的是，在泵浦過程中單粒子流動方向與兩粒子束縛對流動方向相反。這是一種新的多粒子拓撲泵浦模式，完全不同于課題組之前預言的并被實驗證實的束縛態(tài)的拓撲泵浦以及拓撲共振隧穿。在之前的關聯(lián)拓撲泵浦中，所有粒子的運動方向相同。這些結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)的動力學調(diào)控方案，為系統(tǒng)地尋找連續(xù)譜中的多粒子（準）束縛態(tài)及其調(diào)控和應用鋪平了道路。

該成果以“Interaction-Induced Multiparticle Bound States in the Continuum” 為題發(fā)表在Physical Review Letters上，深圳大學為第一單位和通訊單位，第一作者黃泊寧為深圳大學與中山大學聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，深圳大學教授李朝紅和研究員柯勇貫為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部和廣東省科技廳等機構的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.140202

（供稿 物理與光電工程學院）