近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系副教授劉國(guó)柱課題組在凝聚態(tài)體系中量子臨界現(xiàn)象理論研究方面取得新進(jìn)展，提出了一個(gè)在量子臨界體系中實(shí)現(xiàn)衍生超對(duì)稱的必要條件，為在凝聚態(tài)物理中找尋有效超對(duì)稱提供了有價(jià)值的限制和理論指導(dǎo)，相關(guān)研究結(jié)果以Absence of emergent supersymmetry in superconducting quantum critical points in Dirac and Weyl semimetals 為題，于7月22日發(fā)表于npj Quantum Materials 4, 37 (2019)。 _8b>r1$  
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　　超對(duì)稱是基本粒子物理學(xué)家于上世紀(jì)70年代提出的概念，它將時(shí)空對(duì)稱性和內(nèi)部對(duì)稱性結(jié)合起來。超對(duì)稱理論預(yù)言，任何一種基本粒子都有與之相伴的超對(duì)稱伙伴（superpartner），它們質(zhì)量相等但自旋相差1/2。超對(duì)稱有望解決標(biāo)準(zhǔn)模型的等級(jí)問題（hierarchy problem），并以很巧妙的方式消除量子場(chǎng)論計(jì)算過程中遇到的各種發(fā)散，是弦論的基礎(chǔ)。由于這些原因，超對(duì)稱在粒子物理領(lǐng)域具有重要地位。遺憾的是，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的探索，科學(xué)家從未在高能物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱存在的跡象，甚至連間接實(shí)驗(yàn)證據(jù)都沒有找到。 gmAKW4(  
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　　近幾十年來，凝聚態(tài)物理學(xué)家逐漸形成一個(gè)共識(shí)，通過調(diào)節(jié)某些參數(shù)，可操控粒子的運(yùn)動(dòng)和粒子間的相互作用，由此可在凝聚態(tài)物理體系中實(shí)現(xiàn)高能粒子物理領(lǐng)域提出和發(fā)展的重要概念。實(shí)際上，狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子、磁單極、手征反常等高能物理概念，都已在凝聚態(tài)體系得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)有趣的問題是，超對(duì)稱能否在凝聚態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)？2014年，有研究者提出可通過如下途徑實(shí)現(xiàn)超對(duì)稱：三維拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)是二維空間中的狄拉克費(fèi)米子，如果粒子間的吸引力足夠強(qiáng)，可導(dǎo)致庫珀配對(duì)（Cooper pairing），該表面將經(jīng)歷從半金屬態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的量子相變，在該相變的量子臨界點(diǎn)處，狄拉克費(fèi)米子質(zhì)量為零，而超導(dǎo)序參量漲落對(duì)應(yīng)的有效玻色子也是無質(zhì)量的，兩者質(zhì)量相同（均為零）且自旋相差1/2，滿足超對(duì)稱的基本前提條件。重整化群計(jì)算發(fā)現(xiàn)，盡管在微觀層次（小尺度范圍）體系不滿足超對(duì)稱，但通過粒子間的相互作用，在宏觀層次（大尺度范圍）體系跑動(dòng)到滿足超對(duì)稱的固定點(diǎn)。這種僅在宏觀層次展現(xiàn)的有效超對(duì)稱，被稱為衍生超對(duì)稱（emergent supersymmetry）。這一理論提議的潛在意義在于，可通過相對(duì)簡(jiǎn)單的凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)超對(duì)稱量子場(chǎng)論的諸多有趣的理論預(yù)言，并將其用于研究豐富多彩的量子臨界現(xiàn)象。上述理論進(jìn)展立刻引起廣泛關(guān)注，激發(fā)了一系列后續(xù)研究，在凝聚態(tài)體系中尋找衍生超對(duì)稱很快成為一個(gè)新興的研究方向。 ~{7NTW  
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　　劉國(guó)柱課題組多年來一直從事量子相變和量子臨界現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論研究，從長(zhǎng)期的研究經(jīng)驗(yàn)可知，如果一個(gè)量子多體系統(tǒng)中所有的費(fèi)米型和玻色型元激發(fā)都是無質(zhì)量（無能隙）的，那么該體系通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，因?yàn)榱Ｗ娱g的相互作用在低能區(qū)域（對(duì)應(yīng)于大尺度范圍）變得特別強(qiáng)，導(dǎo)致計(jì)算諸多物理量的過程中都會(huì)遇到嚴(yán)重的紅外發(fā)散。其后果是，描述量子臨界體系的有效低能模型可能包括非解析的相互作用項(xiàng)，這會(huì)阻止時(shí)空超對(duì)稱的出現(xiàn)。前人的理論研究沒有發(fā)現(xiàn)紅外發(fā)散，原因在于他們未能恰當(dāng)?shù)乜紤]大量重要的極低能粒子散射過程�；�于上述想法，劉國(guó)柱課題組仔細(xì)研究了狄拉克和外爾半金屬體系中超導(dǎo)量子臨界點(diǎn)處的物理性質(zhì)，證實(shí)無質(zhì)量的費(fèi)米子和玻色子間的相互作用確實(shí)能導(dǎo)致紅外發(fā)散，并因此產(chǎn)生無窮多的非定域（non-local）相互作用項(xiàng)，從而使得體系無法滿足超對(duì)稱。想在凝聚態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)超對(duì)稱，必須首先保證紅外發(fā)散和非定域相互作用項(xiàng)均不存在，這為衍生超對(duì)稱的探索提供了一個(gè)嚴(yán)重的約束條件。一般而言，如果費(fèi)米子和玻色子均有質(zhì)量（能隙），則體系不存在任何紅外發(fā)散，這樣的體系才是實(shí)現(xiàn)衍生超對(duì)稱的理想候選者。該成果得到npj Quantum Materials 審稿人的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為作者們做了重要的、技術(shù)上很清晰的分析，所得到的結(jié)果非常有趣和令人驚奇，提供了原創(chuàng)、重要的見解。 j&G~;(DY  
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　　該論文第一作者為中國(guó)科大2019屆博士畢業(yè)生趙鵬露，劉國(guó)柱為通訊作者和第二作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。 Z%n.:I<%ZV  
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　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41535-019-0177-9