在物理学中，无论是经典系统还是量子系统，从非平衡态出发，人们通常预期它最终会达到热平衡——即热化。例如，不同形状的冰块最终都会融化成同样的一滩水；夏天开启空调后室温会逐渐均匀；盐在水中会完全溶解。然而，在微观世界里，尤其是在具有强相互作用的量子多体系统中，却出现了与直觉相悖的现象。浙江大学物理学院应磊研究员与奥地利因斯布鲁克大学 Hanns-Christoph Nägerl教授团队合作，在受到周期性驱动的强相互作用玻色气体中，首次实验观测到一种拒绝热化的量子现象——多体动力学局域化（Many-body Dynamical Localization, MBDL），揭示了量子相干性如何阻止气体持续吸收能量。
这一成果以Research Article形式发表于 2025 年 8 月 14 日的《Science》杂志，论文题为“Observation of Many-body dynamical localization”。因斯布鲁克大学博士后郭彦良、博士生Sudipta Dhar，以及浙江大学物理学院博士生杨昂为共同第一作者，通讯作者为浙江大学百人计划研究员应磊与因斯布鲁克大学教授 Hanns-Christoph Nägerl。
图1：该研究工作的示意图
·热化直觉的挑战
在日常生活中，我们熟知的规律是：持续对一个系统做功会让它升温——搓手可以取暖，敲击金属片会让它发热。即便不了解具体方程，经验告诉我们：搅拌、按压、敲击等驱动都会提升系统温度。同样的预期也常被套用于微观的量子系统：持续激发一个多粒子体系，尤其是强相互作用体系，似乎应当导致能量不断累积并升温。但这一假设在量子世界中并非总是成立。自量子力学诞生以来，强相互作用量子系统的动力学行为一直是物理学的难题。两年前，几乎同时发表于《Nature Physics》（Nat. Phys. 18, 1297 (2022)；Nat. Phys. 18, 1302 (2022)）的两项实验发现，在平均场框架下，弱相互作用会使量子气体以亚扩散的方式缓慢吸能。然而，当进入强相互作用区间，系统是否依然会热化，仍是悬而未决的问题。
图2：周期性踢转子的示意图
·从单粒子到多体的“踢转子”实验---动量空间的局域化的观测
为解答这一问题，应磊团队与 Nägerl 团队于两年前，基于大家熟知的单粒子量子踢转子模型（Quantum Kicked Rotor）如图2所示，引入强度可调的接触相互作用，将其推广到多体体系，并探究处于基态的强相互作用量子气体在持续“踢击”下的演化规律。
在实验中，因斯布鲁克团队构建了一维强相互作用原子气体，并将其冷却至仅比绝对零度高数纳开尔文的温度。随后，他们将原子置于快速周期性变化的光晶格中——这一晶格势模拟了外部的连续“踢击”。按传统预期，原子应随时间吸收能量，动量分布逐渐扩散。但结果出乎意料：在短暂的初始演化后，原子动量分布停止扩散，动能趋于稳定，即便持续受到外部驱动和强相互作用，系统仍不再吸收能量，表现为动量空间的局域化（如图3所示）。
与单粒子情形中动量分布的指数衰减不同，研究还发现多粒子体系呈现特殊的长程衰减结构，凸显了多体效应的作用。浙江大学博士生杨昂与其导师应磊，在前期理论计算中预测了这一局域化效应的可观测性及其影响因素，并在强相互作用极限下给出了与实验高度一致的数值结果。
图3：弱相互作用与强相互作用下量子气体的动量分布随时间的演化
·量子相干性的关键作用
“我们原本预计原子会像被驱散的粒子一样四处扩散，结果却展现出惊人的有序性。”第一作者郭彦良回忆道。应磊指出：“在强驱动和强相互作用下，多体相干性可以显著抑制能量吸收，这与经典直觉完全相反，体现了量子力学赋予系统的非凡稳定性。”
由于该体系在经典计算机上难以高效模拟，实验验证尤为重要。“实验与理论相辅相成，让我们更接近理解这种现象的本质。”共同第一作者杨昂补充说，“局域化不仅出现在弱相互作用下，也能在强相互作用极限中发生，这超出了平均场理论的预期，说明相干性与多体效应之间存在复杂的竞争。”
此外，为测试 MBDL 的脆弱性，研究人员在周期性驱动中引入了微弱的随机扰动。实验与理论表明，即使很小的无序也足以破坏局域化并恢复扩散：动量分布变得模糊，动能急剧上升，系统重新吸收能量。“这一结果凸显了量子相干性在抑制驱动下多体系统热化过程中的关键作用。”Nägerl 教授强调。
·意义与展望
MBDL的发现不仅深化了对量子热化机制的理解，也为构建更稳定的微观量子调控提供了新思路。“这些结果不仅挑战了长期以来的物理假设，还为研究驱动下的量子物质开辟了新方向。”郭彦良表示。
该研究获得国家自然科学基金和国家重点研发计划等资助。合作者还包括因斯布鲁克大学博士后Manuele Landini、博士生Milena Horvath，美国罗彻斯特大学博士后陈泽凯，以及北京大学研究员姚和朋。
