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華東師范大學(xué)研究人員首次觀察到費(fèi)米原子超輻射量子相變

2021-08-30 13:06:28 來源：中國科學(xué)報

華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武海斌教授課題組在光學(xué)腔內(nèi)超冷簡并費(fèi)米氣體超輻射量子相變的研究中獲突破性進(jìn)展。8月27日，這項(xiàng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)上觀察到，直到2010年在玻色愛因斯坦凝聚體中才實(shí)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(fèi)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(fèi)米原子中實(shí)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(jì)和光晶格嵌套對費(fèi)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(jì)一直沒有在實(shí)驗(yàn)上被觀察到。

武海斌課題組從2013年聚焦這一挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)了超冷費(fèi)米原子和光學(xué)腔的強(qiáng)耦合。他們在這項(xiàng)研究中發(fā)展了精密調(diào)控光學(xué)腔內(nèi)超冷費(fèi)米氣體溫度的操控手段，首次觀察到了費(fèi)米原子的超輻射量子相變，首次揭示了原子統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，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(fèi)米原子。當(dāng)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(fèi)米原子展現(xiàn)了其在淺光學(xué)晶格中的費(fèi)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(jìn)一步解釋說，根據(jù)泡利不相容原理，費(fèi)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(fèi)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(biāo)度取決于費(fèi)米能量，和玻色愛因斯坦凝聚和熱原子表現(xiàn)出不同的標(biāo)度率：在高溫下，相變閾值和原子數(shù)的標(biāo)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(biāo)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(fèi)米統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度隨原子數(shù)的標(biāo)度率。”武海斌表示，這為研究長程相互作用費(fèi)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(xiàng)工作時表示：“這是一個重要的里程碑，為實(shí)現(xiàn)利用光子媒介的相互作用來探索長程相互作用費(fèi)米子多體物理的量子模擬鋪平了道路。”

標(biāo)簽：華東師范光譜科學(xué) 量子統(tǒng)計(jì) 費(fèi)米原子