量子物理学是一个充满神秘的领域，其中粒子的行为往往违背我们所熟悉的物理规则。而在这个奇妙世界中，隐藏着一个令科学家着迷的谜题：退禁闭量子临界点（deconfined quantum critical points，DQCPs）。这种特殊的量子现象发生在两种有序态之间，彻底颠覆了经典物理对相变（有序态与无序态的转换）的理解。

近日，香港大学（港大）物理学系孟子杨教授与博士研究生宋孟涵，联同香港中文大学、耶鲁大学、加州大学圣塔芭芭拉分校、波鸿鲁尔大学及德勒斯登工业大学的研究团队，成功揭示了DQCP的部分本质。该研究提供了突破性的证据，显示量子物质在这些神秘临界点的行为可能包含尚未被理解的新物理规则。这项研究已在《科学进展》（ Science Advances ）上发表，并有望重塑我们对量子力学、材料科学乃至宇宙本质的认知。

从退禁闭量子临界点看秩序之间的转换

在日常生活中，水结成冰或蒸发成蒸气的过程称为“相变”，这些现象都是可由经典热力学完美解释。然而，在量子世界中，相变的驱动因素并非温度，而是粒子在微观尺度上的量子涨落——即粒子的随机运动。量子相变通常发生在绝对零度（-273.15℃），其特征是在一个特殊的点——量子临界点上发生。传统上，量子临界点被视为有序态（粒子规则排列）与无序态（粒子混沌运动）之间的分界，其理论基础由凝聚态物理的“圣杯”、朗道理论来奠定；然而，退禁闭量子临界点（DQCPs）却彻底打破了这个范式。

DQCPs并非分隔有序与无序的边界，而是存在于两种不同的有序态之间。这种“秩序与秩序之间的转换”彻底颠覆了传统相变理论，引发了学界数十年关于其本质是连续相变（平滑渐变）还是一级相变（剧烈突变）的激烈争论。

纠缠熵：打开量子黑盒子的金钥

为了研究这奇特的量子现象，港大研究团队通过量子蒙特卡罗模拟（一种量子系统的电脑建模方法）与理论分析的深度结合，系统性地研究了二维SU(N)自旋模型（一种能实现DQCP的晶格模型）中的纠缠熵行为。纠缠熵是一种描述粒子量子关联强度的物理量，犹如一扇窥探量子系统深层结构的窗口，能窥探量子系统的深层结构。

研究发现了突破性的证据：当对称性参数N较小时，退禁闭量子临界点处的纠缠熵呈现反常“对数行为”，即纠缠熵随系统大小以对数函数增长，而非传统理论预测的线性或其他标度行为。这一结果与传统连续相变理论的预测直接矛盾，显示在低N的情况下，DQCPs可能无法用传统连续相变理论描述，暗示量子涨落中存在尚未被认知的新物理机制。更具颠覆性的是，团队发现了对称性参数N的关键阈值效应：当N超过该阈值时，DQCPs展现出与共形不动点一致的行为特征，显示系统在此条件下可能真正实现了连续量子相变。这项发现为统一理论解释提供了关键线索，表明量子临界行为可能对系统对称性具有高度敏感性，只有在特定条件下才能展现连续相变的特性。

此研究的深远意义

退禁闭量子临界点（DQCPs）提供了一个独特的窗口，让我们可以深入探索量子力学、对称性与临界现象之间的复杂关系。了解它们的本质可能带来以下几方面的重要启示：
1. 奇异量子态：DQCPs与量子自旋液体等新奇物态密切相关，后者被认为是拓朴量子计算的理想载体。
2. 基础理论革新：挑战朗道-金兹堡范式，推动发展超越传统对称性破缺理论的新框架。
3. 科技革命前瞻：提供设计高温超导体、量子磁性材料等全新理论指导。

退禁闭量子临界点作为量子力学中的重要课题，位于现代物理研究的前沿，展现了探索未知领域的巨大潜力。通过对纠缠熵与SU(N) 自旋模型的深入分析，研究者逐步揭示了这些临界现象的内在机制，为理解量子临界点的本质迈出了重要一步。