中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)易為教授研究組在超冷原子及開放體系相變的理論研究中取得重要進(jìn)展，揭示了原子-腔混合系統(tǒng)中相互作用增強(qiáng)超輻射相變的新機(jī)制。相關(guān)成果以“Interaction-Enhanced Superradiance of a Rydberg-Atom Array”為題，于12月9日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》。

超輻射相變最早可追溯到半個(gè)世紀(jì)前人們對Dicke模型的研究。在Dicke模型中，彼此間無相互作用的原子與光場耦合，當(dāng)耦合增強(qiáng)至閾值時(shí)，體系中出現(xiàn)正常態(tài)到超輻射態(tài)的連續(xù)相變——在超輻射態(tài)下，原子的激發(fā)態(tài)和光場均呈高占據(jù)狀態(tài)。類似的現(xiàn)象同樣存在于開放量子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)中，而近年來超冷原子氣體量子調(diào)控和量子模擬方面的進(jìn)展，極大地推動(dòng)了對開放量子系統(tǒng)超輻射相變的探索。在近期的理論和實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)在量子氣體-光腔的混合系統(tǒng)中，量子統(tǒng)計(jì)對超輻射相變有重要影響。然而，這些系統(tǒng)的原子間通常不存在相互作用或相互作用較弱。是否存在某種機(jī)制，令原子間相互作用顯著影響開放系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)超輻射相變，這在理論上是一個(gè)重要問題。

圖1. (a) 穩(wěn)態(tài)相圖，由光子數(shù)刻畫；(b) 不同腔耗散κ下的相邊界。

該研究工作基于里德堡原子陣列與腔的耦合體系，發(fā)現(xiàn)了相互作用對超輻射相變的顯著增強(qiáng)效應(yīng)（圖1）。以里德堡原子陣列耦合耗散腔的裝置（圖2a）為例，在一系列特定的相互作用強(qiáng)度下，即便任意小的原子-腔耦合也能帶來超輻射的穩(wěn)態(tài)，且這一行為不受腔耗散的影響。研究揭示，該現(xiàn)象的出現(xiàn)源于原子間相互作用引起的低能集體態(tài)的簡并(圖2c）。這一機(jī)制使得體系在相變臨界點(diǎn)附近的行為，可以用涌現(xiàn)的量子Rabi模型進(jìn)行刻畫，為超輻射相變的理論圖像和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了新的視角。結(jié)合此前人們對弱相互作用玻色子和非相互作用費(fèi)米氣體中超輻射現(xiàn)象的理解，該工作完善了對量子多體開放系統(tǒng)中超輻射相變的認(rèn)識(shí)，揭示了量子多體物理在非平衡相變中的作用。

圖2. (a) 里德堡原子陣列耦合耗散腔示意圖；

(b) 將廣義Dicke模型等效為Dicke態(tài)構(gòu)成的量子Rabi模型；

(c)基于實(shí)驗(yàn)參數(shù)的臨界點(diǎn)計(jì)算以及低能集體原子態(tài)的簡并。

中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室易為教授為通訊作者，博士生韓奕文為論文第一作者，博士生李浩偉為第二作者。該研究受到國家基金委、科技部、安徽省理論物理基礎(chǔ)學(xué)科研究中心等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.243401

（中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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/1055/90034.htm

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