beat365量子材料科學中心劉雄軍教授與其課題組聯合博士後王玉成，和南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士合作理論預言了具有擴展但不可熱化特征的多體臨界相的存在。該研究以”Many-Body Critical Phase: Extended and Nonthermal”為題，近期發表在《物理評論快報》 【Physical Review Letters, 126, 080602 (2021)】上。劉雄軍為文章通訊作者。

一維相互作用無序或準周期系統存在兩類基本物相：可熱化的擴展相和非熱化的多體局域相。多體局域相可以看作安德森局域相在有相互作用系統中一個更廣義的定義，其存在已經被實驗證實。多體局域相引起了廣泛的關注，其在基礎理論和潛在應用方面都有重要意義。之前，多體局域相是被證實存在的唯一的非熱化多體相。但是，對于無相互作用的無序或者準周期系統，在特殊情況下還存在着另一種臨界相，它是在能譜統計、波函數分布和動力學演化上完全不同于遍曆相和安德森局域相的一個基本相。

一個重要而基本的問題是，對于有相互作用的系統，類似多體局域相可由安德森局域相加相互作用産生，是否存在作為無序系統的第三類基本量子相——多體臨界相？之前很多工作仔細研究了多體遍曆相到多體局域相的轉變，發現在有限尺寸下，會存在一個臨界的區域，它的很多性質不同于另外兩類物相，然而發現在有限尺寸标度分析後，這一臨界區域在熱力學極限下會消失，所以是否存在有别于多體遍曆相和多體局域相的多體臨界相一直未被準确證實。

這項工作首次準确證明多體臨界相的存在。該工作跳出從相變點附近去尋找多體臨界相的框架，去研究非相互作用所存在的臨界相在加上相互作用後的效果。通過有限尺寸标度分析，發現在加上相互作用後在熱力學極限下得到三個基本量子相，即除了多體遍曆相和多體局域相之外，存在多體臨界相。

(a) 系統的相圖（圖中II為多體臨界相）。(b) 多分形分析，多體臨界相的波函數分布具有多分形行為。(c) 糾纏熵，多體臨界相的糾纏熵滿足體積律。(d) 有限尺寸分析。(e) 熱化性質，多體臨界相是非熱化的。

研究者進一步研究了多體臨界相的重要基本性質，包括：多體臨界相的能級統計既不服從遍曆相滿足的 Wigner-Dyson分布，也不服從多體局域相滿足的泊松分布，而是服從臨界分布。多體臨界相的波函數分布存在着多分形行為，其糾纏熵滿足體積律，表明多體臨界相是擴展的。進一步，從熱化性質可證明多體臨界相是非熱化的。因此，多體臨界相是一個擴展但不可熱化的基本量子相。該工作所預言的這一基本的新多體相将有助于澄清多體遍曆相到多體局域相的轉變的本質，有助于理解熱化和本征态熱化假說的物理内涵，并促進相互作用無序或準周期系統中的新理論研究。此前，劉雄軍課題組基于拉曼光晶格提出的具有拓撲特征的多體臨界相的實現和探測發表在《物理評論快報》【Physical Review Letters, 125, 073204 (2020)】。該工作相關的實驗研究正在進行中。

該成果近期發表在《物理評論快報》 【Physical Review Letters, 126, 080602 (2021)】。beat365量子材料科學中心和南方科技大學量子科學與工程研究院聯合博士後王玉成（現為南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員）為文章的第一作者，beat365量子材料科學中心劉雄軍教授為文章的通訊作者，蘭州大學研究員程晨也參與了該工作。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等的資助。

文章鍊接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.080602