我國學者在費米穩態超輻射量子相變研究中取得進展

　　在國家自然科學基金項目（批準號：11925401、11734008）等資助下，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室武海斌研究團隊和中國工程物理研究院研究生院陳宇副教授合作，首次實現了超冷費米氣體的穩態超輻射量子相變，觀察到費米統計對量子相變的影響。該成果以“光學腔內超冷簡并費米氣體超輻射量子相變的觀測（Observation of a superradiant quantum phase transition in an intracavity degenerate Fermi gas6Li atoms）”為題，于2021年8月26日以“First Release”形式發表在《科學》（Science）雜志上，

　　文章鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abd4385。

　　超冷量子氣體與腔量子電動力學相結合為研究新奇量子相變提供了一個理想的系統。著名的Dicke模型描述了光場和原子之間集體相互作用，在強耦合下將出現一個在正常和穩態超輻射相之間的二階量子相變。但自1973 年提出這一超輻射量子相變以來，直到2010年在玻色愛因斯坦凝聚體中利用超冷原子動量態才實現了Dicke相變。自然界中與玻色原子相對應的另一類原子為費米原子，其量子統計服從費米狄拉克分布，其與腔量子電動力學的相結合盡管很早就引起科學家廣泛關注，但實驗研究具有極大的挑戰性，是否可以在費米原子中實現物質波放大在20年前就引起了大家的爭論。盡管2014年理論預測量子統計和光晶格嵌套對費米氣體穩態超輻射相具有重要的作用，然而穩態超輻射量子相變的量子統計效應一直沒有在實驗上被觀察到。

　　武海斌教研究團隊和陳宇副教授合作聚焦這一挑戰性課題，利用超冷費米6Li原子，發展了精密調控復雜系統中光學腔頻率以及超冷費米氣體溫度的技術手段，實現了超冷費米原子和光學腔的強耦合，首次觀察到了費米原子的穩態超輻射量子相變，揭示了費米原子統計在穩態超輻射量子相變中的作用。一個頻率小于原子共振頻率的激光在橫向泵浦光學腔內的超冷費米原子，當泵浦功率低于一個臨界值（閾值）時，散射在光學腔內的光的增益小于耗散，光學腔的輸出觀察不到透射光，費米原子展現了其在淺光學晶格中的典型動量分布；當泵浦光功率增加到閾值以上，光學腔內的光場就會突然形成，內腔的光場和泵浦光場相互干涉形成二維的光晶格，同時原子密度波動誘發超輻射量子相變，費米原子自發的自組織，形成棋盤格圖案的原子密度分布，如圖1所示。由于泡利不相容原理，費米原子散射泵浦光的概率并不相等，閾值和原子數的標度率取決于費米能量，表現出和玻色愛因斯坦凝聚和熱原子不同的標度率，在高溫下，相變閾值和原子數的標度率為N-1（N為原子數）；在低溫下，研究發現其標度率為N-1/2，如圖2所示。

　　該項研究工作為研究長程相互作用費米多體態的非平衡動力學提供了一個理想的平臺，將打開許多新的研究方向，為實現利用光子媒介相互作用來探索長程相互作用費米子多體物理的量子模擬鋪平了道路。

圖1 費米子穩態超輻射量子相變

圖2 穩態超輻射量子相變閾值和原子數的標度率