在国家自然科学基金项目（批准号：12134015、11874393、12121004）等资助下，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院管习文研究员团队与美国莱斯大学兰迪·休利特（Randall G. Hulet）教授、浦晗教授团队合作，通过囚禁一维超冷费米气体首次确定性观测到自旋-电荷分离的奇特现象。相关成果以“具有可控相互作用一维费米气体的自旋-电荷分离（Spin-charge separation in a 1D Fermi gas with tunable interactions）”为题，于2022年6月17日发表在《科学》 （Science）杂志上，同时也被选为亮点介绍。文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1719。

　　粒子间复杂的相互作用和系统内部丰富的自由度通常给系统物理特性的描述带来巨大挑战。在一维量子多体物理中，朝永-拉亭戈（Tomonaga-Luttinger）液体理论通常被用来描述一维多体系统的低能普适行为。通常在一维相互作用电子系统中，其低能激发可分离成两种彼此独立的集体运动模式：只携带自旋或只携带电荷，这种奇特的现象称之为自旋-电荷分离。尽管这方面的研究已有40多年历史，人们也在一维固体材料中发现一些与自旋-电荷分离现象相关的证据，然而对于这种现象，之前的工作尚缺乏确定性的实验验证，理论如何表征自旋-电荷分离现象以及相关实验的调控方法都是世界性难题。

　　中美研究团队自2018年开始合作，通过研究一维相互作用费米气体杨-高丁模型（Yang-Gaudin model）的精确解，发现在长波极限下该模型中电荷自由度的粒子-空穴集体激发和自旋自由度的分数化准粒子（自旋子）激发可完美地形成分离的自旋密度波和电荷密度波，通过布拉格谱可以分别测得自旋和电荷的动力学结构因子（DSF）。研究团队在此发现基础上，近期通过囚禁一维超冷原子实验，在一维费米气体中分别独立激发自旋和电荷激发的密度波（图A—E），并测量其相互作用依赖的自旋和电荷的声速（图F），成功验证了这一重要量子多体物理普适规律。中国团队在理论方面通过复杂的三维粒子数分布获得了一维管状系统中的密度分布，再进一步利用一维相互作用费米气体杨-高丁模型精确解和朝永-拉亭戈液体理论精确计算了囚禁冷原子电荷与自旋的DSF。考虑了电荷激发谱中的曲率修正和自旋激发谱中的反向散射引起的非线性效应后，理论与实验结果非常吻合。

　　本项工作首次通过超冷原子实验验证了自旋-电荷分离现象的朝永-拉亭戈液体理论，并给出非线性拉亭戈液体理论的有力证据，为基于原子分子和光物理的精密测量提供了新的思想。