我国学者在费米稳态超辐射量子相变研究中取得进展

在国家自然科学基金项目（批准号：11925401、11734008）等资助下，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武海斌研究团队和中国工程物理研究院研究生院陈宇副教授合作，首次实现了超冷费米气体的稳态超辐射量子相变，观察到费米统计对量子相变的影响。该成果以“光学腔内超冷简并费米气体超辐射量子相变的观测（Observation of a superradiant quantum phase transition in an intracavity degenerate Fermi gas6Li atoms）”为题，于2021年8月26日以“First Release”形式发表在《科学》（Science）杂志上，

文章链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abd4385。

超冷量子气体与腔量子电动力学相结合为研究新奇量子相变提供了一个理想的系统。著名的Dicke模型描述了光场和原子之间集体相互作用，在强耦合下将出现一个在正常和稳态超辐射相之间的二阶量子相变。但自1973 年提出这一超辐射量子相变以来，直到2010年在玻色爱因斯坦凝聚体中利用超冷原子动量态才实现了Dicke相变。自然界中与玻色原子相对应的另一类原子为费米原子，其量子统计服从费米狄拉克分布，其与腔量子电动力学的相结合尽管很早就引起科学家广泛关注，但实验研究具有极大的挑战性，是否可以在费米原子中实现物质波放大在20年前就引起了大家的争论。尽管2014年理论预测量子统计和光晶格嵌套对费米气体稳态超辐射相具有重要的作用，然而稳态超辐射量子相变的量子统计效应一直没有在实验上被观察到。

武海斌教研究团队和陈宇副教授合作聚焦这一挑战性课题，利用超冷费米6Li原子，发展了精密调控复杂系统中光学腔频率以及超冷费米气体温度的技术手段，实现了超冷费米原子和光学腔的强耦合，首次观察到了费米原子的稳态超辐射量子相变，揭示了费米原子统计在稳态超辐射量子相变中的作用。一个频率小于原子共振频率的激光在横向泵浦光学腔内的超冷费米原子，当泵浦功率低于一个临界值（阈值）时，散射在光学腔内的光的增益小于耗散，光学腔的输出观察不到透射光，费米原子展现了其在浅光学晶格中的典型动量分布；当泵浦光功率增加到阈值以上，光学腔内的光场就会突然形成，内腔的光场和泵浦光场相互干涉形成二维的光晶格，同时原子密度波动诱发超辐射量子相变，费米原子自发的自组织，形成棋盘格图案的原子密度分布，如图1所示。由于泡利不相容原理，费米原子散射泵浦光的概率并不相等，阈值和原子数的标度率取决于费米能量，表现出和玻色爱因斯坦凝聚和热原子不同的标度率，在高温下，相变阈值和原子数的标度率为N-1（N为原子数）；在低温下，研究发现其标度率为N-1/2，如图2所示。

该项研究工作为研究长程相互作用费米多体态的非平衡动力学提供了一个理想的平台，将打开许多新的研究方向，为实现利用光子媒介相互作用来探索长程相互作用费米子多体物理的量子模拟铺平了道路。