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儀表網 研發快訊】中國科學技術大學郭光燦院士團隊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展，揭示了原子-腔混合系統中相互作用增強超輻射相變的新機制。相關成果以“Interaction-Enhanced Superradiance of a Rydberg-Atom Array”為題，于12月9日發表于國際學術期刊《物理評論快報》。
超輻射相變最早可追溯到半個世紀前人們對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，當耦合增強至閾值時，體系中出現正常態到超輻射態的連續相變——在超輻射態下，原子的激發態和光場均呈高占據狀態。類似的現象同樣存在于開放量子系統的穩態中，而近年來超冷原子氣體量子調控和量子模擬方面的進展，極大地推動了對開放量子系統超輻射相變的探索。在近期的理論和實驗中，研究者發現在量子氣體-光腔的混合系統中，量子統計對超輻射相變有重要影響。然而，這些系統的原子間通常不存在相互作用或相互作用較弱。是否存在某種機制，令原子間相互作用顯著影響開放系統的穩態超輻射相變，這在理論上是一個重要問題。
圖1. (a) 穩態相圖，由光子數刻畫；(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，發現了相互作用對超輻射相變的顯著增強效應(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度下，即便任意小的原子-腔耦合也能帶來超輻射的穩態，且這一行為不受腔耗散的影響。研究揭示，該現象的出現源于原子間相互作用引起的低能集體態的簡并(圖2c)。這一機制使得體系在相變臨界點附近的行為，可以用涌現的量子Rabi模型進行刻畫，為超輻射相變的理論圖像和實驗實現提供了新的視角。結合此前人們對弱相互作用玻色子和非相互作用費米氣體中超輻射現象的理解，該工作完善了對量子多體開放系統中超輻射相變的認識，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態構成的量子Rabi模型；(c)基于實驗參數的臨界點計算以及低能集體原子態的簡并。
中國科學院量子信息重點實驗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學科研究中心等項目的資助。
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