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華東師范大學研究人員首次觀察到費米原子超輻射量子相變

2021-08-30 13:06:28 來源：中國科學報

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教授課題組在光學腔內超冷簡并費米氣體超輻射量子相變的研究中獲突破性進展。8月27日，這項研究成果發表于《科學》。

超冷量子氣體與腔量子電動力學相結合最著名的例子之一是Dicke模型，其描述光場和原子的集體相互作用，在強耦合下可出現穩態超輻射的量子相變。然而，提出超輻射量子相變近40年來一直沒有在實驗上觀察到，直到2010年在玻色愛因斯坦凝聚體中才實現了Dicke相變。

自然界與玻色原子相對應的另一類原子為費米原子，其和腔量子電動力學的耦合具有更大的挑戰性。能否在費米原子中實現物質波放大，在20年前就引起了爭論；2014年理論小組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，量子統計一直沒有在實驗上被觀察到。

武海斌課題組從2013年聚焦這一挑戰的實驗，經過多年努力，攻克了超冷量子氣體復雜系統中光學腔的頻率精密控制技術，率先實現了超冷費米原子和光學腔的強耦合。他們在這項研究中發展了精密調控光學腔內超冷費米氣體溫度的操控手段，首次觀察到了費米原子的超輻射量子相變，首次揭示了原子統計在超輻射量子相變中的作用。

論文第一作者、博士生張笑天告訴記者，研究人員精心設計了這項實驗，可以看到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，在光學腔的輸出觀察不到透射的光，費米原子展現了其在淺光學晶格中的費米氣體動量分布；一旦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，同時原子密度波動誘發超輻射量子相變，對角線動量分量的原子會突然增加，自發地自組織，形成棋盤格圖案的原子密度分布。

論文通訊作者武海斌進一步解釋說，根據泡利不相容原理，費米原子散射泵浦光的概率并不相等，只有耦合到未被粒子數占據的終態費米子才能經歷自組織形成相變。因此，其閾值和原子數的標度取決于費米能量，和玻色愛因斯坦凝聚和熱原子表現出不同的標度率：在高溫下，相變閾值和原子數的標度率為原子數的倒數；而在低溫下，相變閾值和原子數的標度率為原子數平方的倒數。

“研究人員首次揭示了量子費米統計在超輻射量子相變中的作用，發現泡利排斥改變了臨界泵浦強度隨原子數的標度率。”武海斌表示，這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。

一位國際權威專家在評價這項工作時表示：“這是一個重要的里程碑，為實現利用光子媒介的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。”

標簽：華東師范光譜科學量子統計費米原子