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華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室武海斌教授課題組在光學(xué)腔內(nèi)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(fā)表于《科學(xué)》。

超冷量子氣體與腔量子電動力學(xué)相結(jié)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(xiàn)穩(wěn)態(tài)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(xiàn)了Dicke相變。

自然界與玻色原子相對應(yīng)的另一類原子為費米原子，其和腔量子電動力學(xué)的耦合具有更大的挑戰(zhàn)性。能否在費米原子中實現(xiàn)物質(zhì)波放大，在20年前就引起了爭論；2014年理論小組預(yù)測量子統(tǒng)計和光晶格嵌套對費米氣體穩(wěn)態(tài)超輻射相具有重要的作用。然而，量子統(tǒng)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(zhàn)的實驗，經(jīng)過多年努力，攻克了超冷量子氣體復(fù)雜系統(tǒng)中光學(xué)腔的頻率精密控制技術(shù)，率先實現(xiàn)了超冷費米原子和光學(xué)腔的強耦合。他們在這項研究中發(fā)展了精密調(diào)控光學(xué)腔內(nèi)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(tǒng)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《中國科學(xué)報》，研究人員精心設(shè)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(xué)腔內(nèi)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(xué)腔的輸出觀察不到透射的光，費米原子展現(xiàn)了其在淺光學(xué)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(xué)腔內(nèi)的光場就會突然形成，同時原子密度波動誘發(fā)超輻射量子相變，對角線動量分量的原子會突然增加，自發(fā)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(jù)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(shù)占據(jù)的終態(tài)費米子才能經(jīng)歷自組織形成相變。因此，其閾值和原子數(shù)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(xiàn)出不同的標度率：在高溫下，相變閾值和原子數(shù)的標度率為原子數(shù)的倒數(shù)；而在低溫下，相變閾值和原子數(shù)的標度率為原子數(shù)平方的倒數(shù)。

“研究人員首次揭示了量子費米統(tǒng)計在超輻射量子相變中的作用，發(fā)現(xiàn)泡利排斥改變了臨界泵浦強度隨原子數(shù)的標度率?！蔽浜１蟊硎?，這為研究長程相互作用費米多體態(tài)的非平衡動力學(xué)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(quán)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(xiàn)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。”黃辛