一、单位概况

 

西安交通大学的理论物理研究肇始自交通大学建立之初。西迁之后，为适应国家建设的需要，逐步形成了以应用为主、理论为辅的科研模式。近年来，大力发展理论物理、扶持理论物理研究优秀团队是学校未来规划中的战略共识，理论物理研究也借此契机重新焕发活力。特别是在学校专项计划支撑下，理论物理方向多方挖掘人才、积极引进了一批国内外一流院校、研究机构的优秀青年学者。2020年，依托创新港建设，正式设立前沿理论物理研究所，作为物理科学与技术研究院下设的三大研究所之一，集理论物理研究、学术型研究生培养、理论类课程教学为一体。经过近10年的积累和凝聚，目前主要研究课题聚焦在高能物理、引力与宇宙学、核物理、数学物理，以及量子理论等五个研究方向，并且已在粒子宇宙学、多层次QCD现象学的研究中形成了一定的研究优势，成长为一支以青年骨干学者为主的新兴研究力量。目前成员17人，其中教授7人，特聘研究员1人，副教授8人，助理教授1人。未来研究所将以建设开放的西部理论研究平台为目标，联合协同西部相关高校的研究力量，取长补短、优势互补，推动西部基础理论研究发展，服务国家基础研究人才培养战略，最终将研究所建设成为西部理论研究的重要高地。

 

二、师资结构

 

研究所现有研究人员17名，其中教授7人，副教授9人，助理教授1人。研究所现有国家级领军人才2人（外聘），教育部新世纪人才1人，校青年拔尖人才1人。所内成员均有国内外一流高校和研究所博士学位，一半以上具有长期海外科研学习经历。通过聚焦国际理论物理重大前沿问题，研究所已形成一支领军学者带头、青年人为骨干的优秀学术团队。

 

高能物理方向：

刘伯超， 教授， 博士

李荣， 副教授， 博士

张盈， 副教授， 博士

 

引力、宇宙学方向：

冯俊          副教授                       博士   

付春娥        副教授                       博士  

王清涤        特聘研究员         博士   

钟渊          副教授                       博士  

朱小宇        副教授                       博士

 

核物理方向：

邵国运，教授，博士

刘红亮，副教授，博士

毛施君，副教授，博士

 

数学物理方向：

王延申，教授，博士

李广良，教授，博士、

 

量子理论方向：

李宏荣，教授，博士

王信，副教授，博士

全佺，助理教授，博士

 

 

三、主要研究成果、特色

 

1. 宇宙学常数问题

在著名的基础物理学重大难题“宇宙学常数问题”的研究上获得突破，指出真空能量密度确如量子场论计算预测的那么巨大，但它的巨大引力效应可被限制在极小尺度的时空涨落中。只要正确考虑了巨大量子场真空能量密度和时空本身在极小尺度（普朗克尺度附近）的剧烈非均匀涨落，宇宙学常数就无需精细调节，旧宇宙学常数问题实际上不会产生。在该研究提供的新图景中，时空在极小尺度（普朗克尺度附近）时刻剧烈变化，每个微小区域都是一个不停膨胀和收缩的微型循环宇宙（microcyclic universe）。真空量子涨落引起的一个微弱参数共振效应使膨胀比收缩略强。这个效应在极大尺度（宇宙学尺度）平均后可导致一个缓慢加速膨胀的宇宙。这揭示了暗能量最直接的候选者——量子场真空能驱动宇宙加速膨胀的全新机制。（Phys. Rev. Lett. 125, 051301 (2020)）

 

2. 早期宇宙量子性

研究了具有非 Bunch-Davies 初始条件的早期宇宙中的量子非定域性。发现量子系统 Markov 演化产生非定域性，且在非 BD 情形中随时空曲率增大具有非单调行为，和过去人们对此的认知完全不同。利用非 BD真空内含的量子关联，解释了这一奇特结果。另外，也发现通过 CHSH 不等式违反度量的仅是开放系统的部分量子关联，后者可被视为物理资源利用于实际量子信息协议中。这说明宇宙学背景中的量子非定域性并不等价于量子纠缠。（Physics Letters B 786 (2018) 403-409）

 

3. 引力背景中的拓扑孤子

在传统的四维爱因斯坦引力理论中，引力的量子化、黑洞塌缩等问题一直是比较难处理的问题。利用二维引力模型，人们可以对这些难题进行严格的讨论，因此二维引力是引力理论研究的一个重要方向。2021年，我们经过研究发现一类二维引力-标量模型的场方程可以写成简单的一阶形式，并成功构造出了解析的拓扑孤子解。这种解在很多方面与五维膜世界解有着相似的性质。同时，我们还利用超对称量子力学的方法证明了该模型的任意静态解在线性扰动下都是稳定的。这一研究为进一步分析自引力孤子的碰撞现象打下了基础。（J. High Energy Phys. 04 (2021) 118）

 

4. 费米子的最小味结构

尽管粒子物理的标准模型已经取得了巨大的成功，但任然不能给出费米子质量级差、CP破坏起源等基本问题的解释，这些味物理迷题在标准模型中由味依赖的Yukawa相互作用引起。受到Yukawa耦合参数的冗余性、CKM和PMNS混合的相似性的启发，2021年我们建立了各代费米子普适的Yukawa相互作用，它不包含超出现象学可观测量数目的参数，能普适地用于轻子、夸克的味混合。这为人们进一步探索味结构机制提供了忠实的研究平台。（arXiv：2102.06830）

 

5. 拓扑物态实现

高阶拓扑超导体是对传统的一阶拓扑超导体系的拓展，与后者的不同之处在于，受拓扑保护的Majorana准粒子不是出现在整个边界上，而仅束缚在边界不同区域的交汇处。根据当前的实验条件，提出了可以实现高阶拓扑超导体的理论方案。发现某种混合型的超导配对势可以很容易使具有 Rashba 自旋轨道耦合的二维半导体系统表现出高阶拓扑超导态，其中Majorana 零模束缚在系统的四个顶角处。这一类型的超导配对势原则上可以在铁基超导体与铜氧化物超导体组成的约瑟夫森结中实现。（Phys. Rev. Lett. 122, 236401 (2019)）

 

6.可积模型的求解

量子可积模型具有优美的数学结构和丰富的物理内涵，在数学和物理学的多个领域例如量子群和量子代数、场论、弦论、统计物理和凝聚态物理中都有着非常重要的应用。完全求解量子可积模型是一项高难度的工作， 尤其对于U(1)对称破缺的可积体系，而非对角Bethe ansatz 方法是一种更普适有效的数学工具，可以处理以前其它方法不能处理的问题。我们和非对角Bethe ansatz 方法创始者们合作给出了求解具有Bn、Cn、Dn李代数结构可积模型的数学框架，可以求解更广泛的可解模型。（JHEP 05（2019）067, Nuclear Physics B 946 (2019) 114719, JHEP 12（2019）051，Nuclear Physics B 965 （2021）115333）

 

7. 膜世界理论中U(1)规范矢量场的局域化

RS膜世界理论，因为能解决理论物理中的层次问题，并提供了实验上探测到额外维的可能性而备受关注。其基本的物理图像是：我们的宇宙是镶嵌在高维时空中的一张膜，引力可以在高维时空中传播，标准模型中的粒子被束缚在膜上。那么如何使得物质场能局域化在膜上是该理论的一个基本问题，同时物质场局域化在膜上之后所生成的Kaluza-Klein（KK）粒子则是实验上探测额外维的重要依据。U(1)规范矢量场作为最基本的物质场之一，其零质量的KK模式及有质量的KK模式需要什么样的条件才能被束缚在膜上是一个非常重要的问题。我们构造了一种额外维有限的膜世界模型，在这个膜世界中实现了U(1)规范矢量场的局域化问题，同时还得到了具有规范不变性的有质量矢量场KK模式的有效作用量。（Physical Review D 85 (2012) 084023 , J. High Energy Phys. 01(2019)021）

 

8.量子信息处理的物理实现

为实现性能优异的量子信息处理，在量子资源和物理平台实现这两个方面，研究了如下问题：

(a) 通过考察量子导引这种特定的量子资源，深入讨论了两量子比特量子态中量子纠缠、量子导引和贝尔非局域性这三种量子关联的层级关系，研究了两量子比特量子态的单向量子导引 [Phys.Rev.A95:062111]。通过量子导引和测量的不可兼容性之间的关系，研究了投影测量下两量子比特贝尔对角态的量子导引特性，得到了量子导引的解析充要条件和几何表示，定义了量子导引的一种度量[Sci.Rep.6:22025]。相关研究为量子导引提供了几何刻画。

 

(b)借助circuit-QED特有的巨型原子效应，我们发现束缚态空间对称性会被量子干涉效应破坏。基于该效应，可以实现量子芯片上中比特的手性耦合，并且耦合强度和方向可以任意调节。我们还探索了其在量子凝聚态物质模拟中的应用。这些研究为可扩展的大规模量子计算提供了新的思路[Phys. Rev. Lett. 126, 043602 (2021)]。

 

9. 强相互作用以及通过强相互作用形成的强子态是物质基本结构研究领域中的热点问题

虽然目前人们基本认可了量子色动力学（QCD）作为强相互作用基本理论的地位，但是由于QCD在中低能区的困难，通过QCD系统研究强相互作用以及强子态还不太现实。另一方面，由于实验技术的发展，实验室中观测到了大量形形色色的强子态，它们的性质以及它们之间隐含的联系无疑是理解强相互作用，检验强相互作用理论的一个重要途径。我们希望从研究强子态出发，通过对强子谱(强子层次的元素周期表)的研究，来理解强相互作用。[代表性成果：Phys. Rev.Lett.96,042002(2006), Phys.Rev.C86,055202(2012), Phys.Lett.B813,136019(2021)]

 

10. 守恒荷的涨落与强相互作用物质相变

强相互作用物质的热力学性质与相变是核物理领域的重要基础课题。守恒荷的涨落是研究相变特别是临界现象最为敏感的探针，我们探讨了夸克手征相变（包括平滑过渡、临界点、一阶相变及其spinodal相结构）和核物质的气液相变引起的重子数涨落，提出了可能的探测信号，与相对论重离子碰撞的能量扫描实验相结合，相关研究有助于分析QCD相变信号，加深对QCD相结构的理解；此外，阐明了朗道量子化对低温磁化的夸克物质相结构的影响。（Phys. Rev. D100 (2019) 014020；Phys. Rev. D101 (2020) 074029）

 

11.原子核结构理论

发展了原子核的平均场模型，应用于研究高中质比、高自旋、超重质量等极端条件下的原子核结构，对单粒子能级、形状、对相互作用、高自旋集体态、高K同核异能态等给出了改进的描述和更深入的理解，并给出了一些预言。

 

12. 磁场对强相互作用相变的反催化效应

相对论重离子碰撞实验能够产生自然界最强的磁场(约高斯)。如此强的磁场对强相互作用相结构将会产生怎样的影响是当前中高能核物理理论和实验研究的突出问题。我们针对磁反催化效应的基本机制问题展开了一系列的研究，建立了超出平均场研究手征对称性恢复的模型，证实了量子涨落对解释手征恢复相变和囚禁解除相变的磁反催化现象起关键作用。[代表性成果：Phys. Lett. B758, 195-199 (2016), Phys. Rev. D94, 036007 (2016), Phys. Rev. D96, 034004 (2017), Phys. Rev. D97, 011501 (2018) Rapid Communications, Phys. Lett. B792, 149-155 (2019), Phys. Rev. D99, 056005 (2019), Phys. Rev. D102, 114035 (2020) Chin. Phys. C45, 2 (2021).]

 

 

四、主干课程/主要研究方向

 

1.高能物理方向：结合标准模型实验进展和存在的理论问题，一方面通过计算强作用现象学验证标准模型的精确性，另一方面探索超出标准模型的新物理。研究方向包括计算强子物理，微扰QCD，重夸克偶素物理、中微子物理，CP破坏起源。

主干课程：量子场论、粒子物理、群论

 

2. 引力、宇宙学：涉及早期宇宙相变、引力波天文学、高维引力、宇宙学常数问题、暗物质和暗能量研究；涉及引力背景中量子信息问题、全息纠缠在黑洞物理和宇宙学中的应用、规范/引力对偶研究新的拓扑物态、拓扑弦理论

主干课程：广义相对论、量子场论、宇宙学

 

3. 核物理方向：研究高温高密、强磁场等极端条件下的强相互作用物质相结构，结合重离子碰撞物理实验，寻找相变的实验信号；进一步发展原子核的结构模型，以适应更极端条件下原子核的描述，探索原子核的奇特结构并寻求更清晰的理解。主要方向包括：强相互作用相结构和重离子碰撞物理、原子核结构理论、致密核天体物理。

主干课程：量子场论、粒子物理、核物理、量子统计物理

 

4. 数学物理方向：可积模型的构造；低维可解模型的精确解；Bethe ansatz方程根的规律和热力学计算。

主干课程：数学物理方法、群论

 

5. 量子理论方向：从QED理论和退相干机制出发，探索相干性能优异、参数可调的耦合和调控机制，为构建性能优异的多量子比特计算平台提供新的解决方案；完善量子资源理论框架，并将其应用于量子信息和量子物理的基础研究。

主干课程：量子光学、量子信息

 

 

五、联系方式

 

 

所长（主任）：张盈

联系方式 ：hepzhy@mail.xjtu.edu.cn；j.feng@xjtu.edu.cn

办公地点：仲英楼B845

 

六、其他需要介绍的内容