中國科大郭光燦院士團隊在強相互作用里德堡原子系統(tǒng)的研究中取得重要進(jìn)展。該團隊史保森、丁冬生課題組在里德堡原子驅(qū)動耗散系統(tǒng)中觀察到了臨界點的早期預(yù)警信號。相關(guān)成果12月9日以“Early warning signals of the tipping point in strongly interacting Rydberg atoms”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上。

復(fù)雜系統(tǒng)具有顯著的非線性和涌現(xiàn)性，在接近臨界點時常伴隨突發(fā)性變化，這種現(xiàn)象貫穿于生態(tài)、氣候、經(jīng)濟等多個領(lǐng)域。當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近臨界點時，其內(nèi)部動力學(xué)特性會發(fā)生顯著變化，例如波動增強或響應(yīng)速度減慢，這些特征被提取出來并用作早期預(yù)警信號。預(yù)警信號不僅揭示了系統(tǒng)接近臨界狀態(tài)的本質(zhì)，還為預(yù)測突變和制定應(yīng)對策略提供了關(guān)鍵依據(jù)。然而，復(fù)雜系統(tǒng)的行為具有非線性和高度關(guān)聯(lián)性，捕捉這些信號并實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測仍然是科學(xué)研究中的一大挑戰(zhàn)。里德堡原子系統(tǒng)因其具有復(fù)雜互聯(lián)性、強非線性和涌現(xiàn)行為，是研究復(fù)雜系統(tǒng)臨界現(xiàn)象的理想實驗平臺。丁冬生等人利用雙音微波電場驅(qū)動里德堡原子，成功提取了臨界點到來前的早期預(yù)警信號，如圖1所示：

圖 1 ：物理模型圖。（a）為相變示意圖。（b）為雙音驅(qū)動兩個里德堡態(tài)的能級示意圖。（c）為里德堡原子系統(tǒng)的相變。（d）為雙音微波驅(qū)動下的電磁誘導(dǎo)透明（EIT）譜線。（e）是通過計算圖d中譜線的方差得到。在系統(tǒng)接近臨界點時，方差表現(xiàn)出非線性行為，這一行為可作為臨界點前的早期預(yù)警信號。

文章通過雙勢阱模型描述了非平衡相變及臨界慢化過程，通過調(diào)節(jié)掃描時間、銣泡溫度等參數(shù)，可以系統(tǒng)性地探測和分析不同臨界行為的預(yù)警信號。在實驗中，團隊觀察到系統(tǒng)相變過程的時間演化，如圖2所示。同時，實驗觀測到不同空間結(jié)構(gòu)條件和尺度下的預(yù)警信號，如圖3所示。對于這些現(xiàn)象的研究將有助于我們更好地理解復(fù)雜系統(tǒng)的臨界行為，還為其他由于復(fù)雜性引起臨界現(xiàn)象的系統(tǒng)提供研究思路。

圖 2 ：（a-c）為雙勢阱模型描述相變過程。（d-f）為預(yù)警信號隨掃描時間的變化趨勢。

圖 3 ：不同溫度下測量的方差和預(yù)警信號特征。

該工作得到了審稿人的高度評價：這無疑是一個有趣且動機明確的課題。熱蒸汽中的里德堡原子已經(jīng)被用來研究相變或病毒傳播和火災(zāi)等臨界現(xiàn)象。然而，正如作者所指出的，目前還沒有關(guān)于臨界點預(yù)測的研究。預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)中的臨界點或許能讓我們應(yīng)對醫(yī)學(xué)、氣候科學(xué)或經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域中的突發(fā)事件。因此，這篇論文可能會吸引廣大讀者。（“This is certainly an interesting and well-motivated topic. Rydberg atoms in hot thermal vapors have been used to investigate critical phenomena like phase transitions or the spread of viruses and fires. However, as the authors note, there has been no work on the prediction of tipping points. The ability to predict tipping points in complex systems might allow us to respond to sudden events in fields like medicine, climate science, or economics. As such, this paper might appeal to a broad audience.”)

中國科大博士研究生張俊和中國科大博士后張力華為本文的共同第一作者，丁冬生教授為本文的獨立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院、安徽省重大科技專項以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.243601

（中國科學(xué)院量子信息重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/90125.htm

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