物电院李福祥教授课题组在高阶拓扑系统的非平衡动力学研究取得新进展

发现和理解自然界的普适性规律是物理学的重要目标之一。Kibble-Zurek机制预测了非平衡系统在连续相变过程中因对称性自发破缺而导致的缺陷产生的普适行为，它可以解释宇宙早期大爆炸过程中缺陷（如磁单极子、宇宙弦等）的形成，也被普遍地用于理解凝聚态物理系统中连续相变产生的缺陷，如超导相变中的涡旋和磁性相变中的磁畴。然而，在拓扑相变中，并不存在对称性自发破缺，对拓扑相变的描述超越了传统的朗道相变理论的范式。因此，在拓扑相变中，Kibble-Zurek机制是否依然有效，是一个值得深入研究的问题。

近日，湖南大学物理与微电子科学学院李福祥教授团队通过研究一个具有丰富相变类型的高阶拓扑模型，探讨了不同相变类型及边界条件下Kibble-Zurek机制的适用性（图a）。他们发现，在系统经历一类特殊的高阶拓扑相变时，缺陷密度与淬火速率之间的标度关系不再符合传统Kibble-Zurek 机制的预测，并且表现出对边界条件的依赖性，即不同的边界条件会导致不同的标度指数（图b）。为了解释这种异常的标度行为，研究团队提出了一个严格可解的朗道-齐纳模型。该模型充分考虑了拓扑边缘带在相变过程中的关键作用，从而能够准确地描述高阶拓扑系统中缺陷产生的动力学过程（图c）。同时，他们还研究了体能隙闭合相变及多重临界点的情况，发现在这些相变类型中，传统Kibble-Zurek机制仍然有效且与边界条件无关（图d）。这些研究结果揭示了高阶拓扑系统中缺陷产生机制的新特征和规律，为探索拓扑相中的非平衡现象开辟了新的研究方向。

相关研究成果以“Defect Production across Higher-Order Phase Transitions beyond Kibble-Zurek Scaling”为题发表在《物理评论快报》上（Physical Review Letters），湖南大学物理与微电子科学学院为论文唯一单位，博士生邓孟华为第一作者，李福祥教授为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.010409

来源：物电院

责任编辑：文亦佳