我院拔尖基地2018级本科生郭政鑫，利用解析和数值方法在量子多体相变领域开展研究。2022年5月27 日，相关成果以“Emergent phase transition in Cluster Ising model with dissipation”为题，在线发表于物理学国际权威期刊《Physical Review A》。我院本科生郭政鑫为第一作者，李志老师为通讯作者，华南师范大学为第一单位。论文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.105.053311。

在具有三角形光晶格的冷原子实验平台中，原子间存在所谓的三自旋环状相互作用，与之等价的模型基态被称为cluster态，具有对称性保护拓扑（symmetry-protected topological, SPT）特质，因而受到量子信息领域的关注。另一方面，这种三自旋相互作用往往会与体系内的两自旋相互作用竞争，低能下表现为SPT cluster基态与反铁磁基态的竞争。为了从理论角度表征这种竞争关系，人们提出了cluster Ising模型，并被用于研究封闭cluster Ising体系中的量子相变。然而，真实实验体系往往是存在一定耗散的，开放cluster Ising体系中的量子相变仍未被探索。近年来，随着非厄米物理的发展，相应的实验操控技术也趋于成熟，对耗散的调控已经可以在冷原子及光学平台中实现。因此，无论从理论意义还是从实验可行性角度考虑，研究开放cluster Ising体系中的量子相变都具有较大价值。 

本研究在标准cluster Ising模型的基础上，引入可等价为耗散的虚外场，构造了非厄米cluster Ising模型。接着利用标准对角化方法将模型从自旋表象变换为自由费米子表象，从而获得解析能谱。在此基础上，研究了一系列可观测量的行为来寻找量子相变点，并确定各量子相的类型，包括基态能量密度导数、保真度、弦关联函数、交错磁化强度、临界指数以及关联函数随系统尺寸的变化行为。 

图1  耗散cluster Ising 模型示意图 

研究结果表明，（1）非厄米耗散使得厄米情况下的单个相变点分裂成三个，并且随着耗散强度的增加，三个相变点的间距逐渐扩大。（2）耗散诱导出了两个新的量子相，分别是一个无能隙的临界相和一个顺磁相。（3）顺磁相与反铁磁相间的相变属于标准的Ising普适类，与厄米情况下的cluster-反铁磁相变的准Ising普适类不同。（4）cluster相以及顺磁相与无能隙项之间的相变属于一种未知的“类KT”相变，未来团队将进一步从非幺正共形场论的角度，开展进一步的研究，尝试给出对这种新奇相的理解。

图2 具有耗散的Cluster Ising系统相图

本研究从对称性的角度出发，利用解析和数值算法结合计算各序参量，揭示开放cluster Ising体系中的由耗散诱导的奇异相图，为冷原子量子模拟以及量子信息技术发展提供新思路和理论参考。

本研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省重点领域研发计划等项目的资助。