在凝聚態(tài)物理學(xué)不斷演進(jìn)的版圖中，平衡態(tài)與非平衡態(tài)系統(tǒng)之間的界限正變得日益模糊。發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的關(guān)于 “自旋拆對(duì)誘導(dǎo)的例外費(fèi)米子超流性” (Spin-Depairing-Induced Exceptional Fermionic Superfluidity) 的研究是一項(xiàng)里程碑式的貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作引入了一個(gè)顛覆性的范式：一種不僅能在耗散中存活，而且從根本上由例外點(diǎn) (Exceptional Points, EPs) 定義的穩(wěn)定超流態(tài)。

非厄米物理的革命

傳統(tǒng)量子力學(xué)建立在厄米性的基礎(chǔ)上，這確保了能量特征值為實(shí)數(shù)且信息守恒。然而，現(xiàn)實(shí)世界的量子系統(tǒng)是“開放”的——它們與環(huán)境相互作用，導(dǎo)致能量或粒子的增益與損耗。這些系統(tǒng)由非厄米 (Non-Hermitian, NH) 哈密頓量描述。

在這種系統(tǒng)中，最引人注目的特征是例外點(diǎn) (EPs)。與標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中能量?jī)H僅交疊的“簡(jiǎn)并點(diǎn)”不同，在例外點(diǎn)處，哈密頓量的特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量會(huì)同時(shí)合一（簡(jiǎn)并）。這種數(shù)學(xué)奇點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致獨(dú)特的物理現(xiàn)象，如“費(fèi)米弧” 以及系統(tǒng)對(duì)外部參數(shù)的極端敏感性。

核心機(jī)制：自旋拆對(duì) (Spin Depairing)

該論文的核心在于非厄米吸引哈伯德模型。這是研究費(fèi)米子（如電子或超冷原子）如何配對(duì)形成超流體的標(biāo)準(zhǔn)框架。研究人員引入了一種特定的耗散形式，稱為自旋拆對(duì)：

• 非對(duì)稱跳遷：該模型具有自旋相關(guān)的非對(duì)稱跳遷。想象一個(gè)晶格，自旋向上的粒子傾向于向右跳遷，而自旋向下的粒子則傾向于向左跳遷。
• “拆對(duì)”效應(yīng)：在標(biāo)準(zhǔn)的超流體中，相反自旋的粒子會(huì)形成“庫珀對(duì)” 。通過非互惠的方式強(qiáng)迫兩種自旋向相反方向運(yùn)動(dòng)，環(huán)境實(shí)際上在試圖將這些配對(duì)“撕裂”——這就是所謂的自旋拆對(duì)。

一種新物態(tài)：例外費(fèi)米超流 (EFS)

此前，物理學(xué)界普遍認(rèn)為費(fèi)米超流中的EPs是“毀滅的預(yù)兆”——它們只會(huì)在超流性崩潰、系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀怏w的相變點(diǎn)處出現(xiàn)。

該論文的重大突破在于：發(fā)現(xiàn)自旋拆對(duì)實(shí)際上可以在超流相內(nèi)部穩(wěn)定 EPs。 這種被稱為例外費(fèi)米超流 (Exceptional Fermionic Superfluidity, EFS) 的狀態(tài)具有兩個(gè)同時(shí)存在的特性：

• 有限的序參量：系統(tǒng)保持宏觀波函數(shù)（超流性），允許無電阻的流動(dòng)。
• 內(nèi)部例外點(diǎn)：準(zhǔn)粒子激發(fā)譜在動(dòng)量空間中包含 EPs。這意味著在這種超流體中攜帶熱量或電流的“粒子”，其行為與標(biāo)準(zhǔn) BCS 超導(dǎo)系統(tǒng)中的粒子有著本質(zhì)的區(qū)別。

核心理論見解

1. 與態(tài)密度 (DOS) 的相互作用

研究者利用非厄米 BCS 理論分析了系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn) EPs 在復(fù)能量平面上創(chuàng)造了一種獨(dú)特的“有效態(tài)密度”。這種相互作用確保了即使 EPs 存在，系統(tǒng)仍能維持在穩(wěn)定的能量極小值狀態(tài)（或其非平衡態(tài)等效物），從而防止超流態(tài)衰減。

2. 維度與魯棒性

論文揭示了這種新相的穩(wěn)定性高度依賴于系統(tǒng)的幾何維度：

• 正方晶格 (2D)：EFS 表現(xiàn)得異常穩(wěn)健。即使是微弱的相互作用也能支持超流性與 EPs 的共存。
• 立方晶格 (3D)：該相變得更為脆弱；強(qiáng)烈的自旋拆對(duì)最終會(huì)導(dǎo)致超流態(tài)的徹底崩潰。
• 一維系統(tǒng) (1D)：在 1D 中，超流性的“例外”特性基本消失，EPs 再次被排擠到相邊界上。

實(shí)驗(yàn)意義：超冷原子

這不僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的好奇心。作者指出，超冷原子實(shí)驗(yàn)是模擬這種物理現(xiàn)象的完美“量子模擬器”：

• 實(shí)現(xiàn)方式：利用激光誘導(dǎo)的規(guī)范場(chǎng)或受控的原子損耗，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以構(gòu)建出所需的非對(duì)稱跳遷（自旋相關(guān)耗散）。
• 觀測(cè)手段：通過動(dòng)量分辨光譜，科學(xué)家可以直接描繪復(fù)能量譜，并觀測(cè)到動(dòng)量空間中的例外點(diǎn)以及連接它們的費(fèi)米弧。

結(jié)論：多體物理的新前沿

自旋拆對(duì)誘導(dǎo)的例外費(fèi)米超流標(biāo)志著我們?cè)诶斫夂纳⑷绾巫鳛椤百Y源”而非“干擾”方面邁出了重要一步。通過證明拓?fù)淦纥c(diǎn) (EPs) 可以舒適地存在于多體有序態(tài)中，這項(xiàng)工作為以下領(lǐng)域開啟了大門：

• 設(shè)計(jì)具有非互惠傳輸特性的新型量子材料。
• 探索“非厄米拓?fù)涑瑢?dǎo)”，這可能對(duì)容錯(cuò)量子計(jì)算產(chǎn)生影響。
• 彌合經(jīng)典“有損”波動(dòng)物理（如光子學(xué)）與真正的多體量子統(tǒng)計(jì)之間的鴻溝。