量子力学的领域，其固有的奇异性和违反直觉的现象，在考虑由许多相互作用的粒子组成的系统时变得格外引人入胜。这些所谓的“多体系统”通常表现出由其组成部分之间强关联产生的涌现行为，从而导致奇异的物质相，如高温超导体、莫特绝缘体和量子磁体。理解这些强关联系统的基本性质仍然是现代物理学的核心挑战。传统上，实验工作侧重于最小化或抑制普遍存在的耗散，将其视为一种会模糊潜在相干量子动力学的有害因素。然而，发表在《自然·物理学》一篇题为《强关联量子气体中的普适耗散动力学》的开创性研究挑战了这种传统观念，它表明，当耗散得到仔细控制时，可以作为探测这些复杂量子系统内部关联的强大而通用的工具。
强关联量子系统的特点是，个体粒子之间的相互作用非常强，以至于不能再被视为小的扰动。这导致了独立粒子图景的崩溃，系统的行为主要由集体效应及其组成部分之间复杂的纠缠所主导。这些系统常常无法用简单的理论描述，它们的涌现性质深刻地编码在它们的多体波函数中。实验上探测这些复杂的关联需要能够获取超出简单单粒子性质的信息的复杂技术。传统方法通常涉及施加外部扰动，例如电磁场或温度变化，并通过输运测量或光谱学观察系统的响应。虽然这些技术已经产生了宝贵的见解，但它们有时会改变它们旨在研究的关联本身。
耗散，即量子系统将其能量损失给环境的过程，是任何现实物理系统不可避免的特征。它通常表现为退相干，即量子叠加和纠缠的损失，以及量子关联的改变。在研究强关联物质的背景下，耗散在历史上一直被视为一种麻烦，一种需要最小化的因素，以观察原始的量子现象。研究人员常常不遗余力地将他们的系统与环境隔离，采用超低温和高真空等技术来减少耗散效应。
然而，新研究对这种观点提出了范式转变。他们提出并通过实验证明，通过在强关联量子气体中仔细引入和控制耗散，可以直接获取关于系统内在关联的信息。他们的方法利用了这样一个事实：系统耗散能量的方式与其底层结构和激发性质密切相关。
这项研究选择的实验平台是限制在一维(1D)光晶格中的超冷原子气体。由于可以高度控制各种参数，包括原子之间的相互作用强度和系统的维度，这些系统为探索基础物理学提供了一个理想的试验台。研究人员制备了1D玻色气体，这是一个已知在低温下表现出强量子涨落的系统，并通过向原子团照射近共振激光来引入可调的耗散。这种光会引起系统中原子数量的可控损失。关键的测量是在这种恒定耗散下，总粒子数随时间的变化。
该研究的核心发现是在强关联的1D玻色气体中观察到总粒子数的普适拉伸指数衰减。与在弱相互作用系统或具有明确定义的准粒子的单个量子态中通常观察到的简单指数衰减不同，拉伸指数衰减在短时间内遵循幂律形式，然后在长时间内过渡到较慢的指数衰减。这种非指数行为是具有强相互作用和复杂激发谱的系统的标志。
至关重要的是，研究人员发现，表征拉伸指数衰减的指数，即拉伸指数，直接测量了1D玻色气体谱函数的反常维度。谱函数是多体物理学中的一个基本量，它描述了系统中单粒子激发的分布。在强关联系统中，相互作用会导致明确定义的准粒子的失效，从而导致谱函数在某些能量尺度附近呈现幂律形式。这个幂律的指数就是反常维度，它量化了这些强量子涨落的强度。通过简单地测量在受控耗散下粒子数的衰减方式，研究人员能够提取这个表征系统强关联的关键参数。
这种耗散动力学的普适性尤其值得注意。研究人员在1D玻色气体中观察到跨越广泛相互作用强度的拉伸指数衰减，并且测量的反常维度与该可积模型的理论预测相符。这表明耗散动力学和内在关联之间的关系是稳健的，并且与相互作用强度的具体细节无关。
这项工作对强关联量子物质的研究具有重要意义。它提供了一种新颖且可能更直接的方法，通过利用看似有害的耗散效应来探测这些系统的基本性质。研究人员现在可以利用耗散作为一种工具，而不是试图消除耗散，从而深入了解相互作用和量子涨落之间复杂的相互作用。这种方法对于研究难以实施或解释传统光谱技术的系统可能尤其有价值。
此外，作者认为这种方法可以广泛应用于检测各种量子材料中的其他强关联特征。例如，谱函数的反常维度也与理解高维系统中的自旋-电荷分离以及非常规超导体中费米弧的存在有关。通过相对简单的耗散动力学测量来提取这些信息的能力，可能为探索这些复杂的物质态开辟新的途径。
