【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)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(kāi)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)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(duì)Dicke模型的研究。在Dicke模型中，彼此間無(wú)相互作用的原子與光場(chǎng)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(chǎng)均呈高占據(jù)狀態(tài)。類似的現(xiàn)象同樣存在于開(kāi)放量子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)中，而近年來(lái)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(duì)開(kāi)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(duì)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(kāi)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(wèn)題。
圖1. (a) 穩(wěn)態(tài)相圖，由光子數(shù)刻畫(huà)；(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(duì)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(lái)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(jiǎn)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(huà)，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(duì)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(duì)量子多體開(kāi)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(jiǎn)并。
中國(guó)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(guó)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。
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