中国科大郭光灿院士团队在里德堡原子开放系统的研究中取得重要进展。该团队史保森、丁冬生课题组与诺丁汉大学李伟斌教授、华东师范大学白正阳副研究员、英国杜伦大学的Charles S. Adams教授合作，在里德堡原子开放体系观察到了遍历性破缺现象。相关成果3月1日以“Ergodicity breaking from Rydberg clusters in a driven-dissipative many-body system”为题发表在国际知名学术期刊《Science Advances》上。
物理系统通常由于遍历性（ergodicity）会弛豫到平衡态，进而可观测量随时间不再变化，可观察量在相空间中会快速寻找新的固定点。但也会有例外情况出现，例如，在可积和多体局域化系统中，破缺的遍历性可以抑制系统平衡和热化。研究遍历性破缺对金融网络中的市场崩塌和恢复、神经网络中的大脑癫痫、以及复杂系统临界跃迁的预警等行为具有一定启示和参考。里德堡原子具有长程相互作用，可作为理想的多体系统研究非遍历动力学行为。在驱动耗散的里德堡原子系统中，系统会由于里德堡原子的聚集出现非平衡的长时间震荡相，如图1所示。
图1 物理示意图，（A）为开放系统，（B）为遍历性相的空间均匀分布，（C）为其相空间，不同初态将弛豫到同一固定点，发生热化。（D）为弱遍历性破缺相的空间分布，空间中里德堡原子由于相互作用发生聚集。（E）为其相应的相空间，相空间中出现非稳态解（极限环），对应于长时间振荡的末态。
丁冬生等人通过双光子激发室温下的里德堡原子，实验中观察了强相互作用里德堡原子气体中的非遍历多体动力学现象。该现象是由激光相干驱动、里德堡原子相互作用和耗散共同影响。他们通过调节激光参数，观察到了非平衡相变，其中出现了遍历相和弱非遍历相之间的分岔，如图2所示。遍历相中的原子分布均匀，而弱非遍历相中的里德堡态粒子数显示出非平凡的振荡。他们观察到了持续毫秒级的长时间多体集体振荡，这种振荡远远超过了相关耗散的时间尺度。分析表明，这种遍历性破缺是由于强相互作用的里德堡原子在自由空间中的聚集引起的。
图2 非平衡相图和遍历破缺相变，（A）改变信号光拉比频率和控制光失谐下的相图，（B-D）不同信号光强度下的透射光谱，（E）观察到的多体非遍历态的时间流，（F）(E)中标记区域的放大图。黑色曲线是拟合曲线。
中科大丁冬生教授、华东师大白正阳副研究员、中科大博士研究生刘宗凯共同为本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授、英国诺丁汉大学的李伟斌教授、英国杜伦大学C.S.Adams为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。