中国科大郭光灿院士团队易为教授研究组在超冷原子及开放体系相变的理论研究中取得重要进展，揭示了原子-腔混合系统中相互作用增强超辐射相变的新机制。相关成果以“Interaction-Enhanced Superradiance of a Rydberg-Atom Array”为题，于12月9日发表于国际学术期刊《物理评论快报》。
超辐射相变最早可追溯到半个世纪前人们对Dicke模型的研究。在Dicke模型中，彼此间无相互作用的原子与光场耦合，当耦合增强至阈值时，体系中出现正常态到超辐射态的连续相变——在超辐射态下，原子的激发态和光场均呈高占据状态。类似的现象同样存在于开放量子系统的稳态中，而近年来超冷原子气体量子调控和量子模拟方面的进展，极大地推动了对开放量子系统超辐射相变的探索。在近期的理论和实验中，研究者发现在量子气体-光腔的混合系统中，量子统计对超辐射相变有重要影响。然而，这些系统的原子间通常不存在相互作用或相互作用较弱。是否存在某种机制，令原子间相互作用显著影响开放系统的稳态超辐射相变，这在理论上是一个重要问题。
图1. (a) 稳态相图，由光子数刻画；(b) 不同腔耗散κ下的相边界。
该研究工作基于里德堡原子阵列与腔的耦合体系，发现了相互作用对超辐射相变的显著增强效应（图1）。以里德堡原子阵列耦合耗散腔的装置（图2a）为例，在一系列特定的相互作用强度下，即便任意小的原子-腔耦合也能带来超辐射的稳态，且这一行为不受腔耗散的影响。研究揭示，该现象的出现源于原子间相互作用引起的低能集体态的简并(图2c）。这一机制使得体系在相变临界点附近的行为，可以用涌现的量子Rabi模型进行刻画，为超辐射相变的理论图像和实验实现提供了新的视角。结合此前人们对弱相互作用玻色子和非相互作用费米气体中超辐射现象的理解，该工作完善了对量子多体开放系统中超辐射相变的认识，揭示了量子多体物理在非平衡相变中的作用。
图2. (a) 里德堡原子阵列耦合耗散腔示意图；(b) 将广义Dicke模型等效为Dicke态构成的量子Rabi模型；(c)基于实验参数的临界点计算以及低能集体原子态的简并。
中国科学院量子信息重点实验室易为教授为通讯作者，博士生韩奕文为论文第一作者，博士生李浩伟为第二作者。该研究受到国家基金委、科技部、安徽省理论物理基础学科研究中心等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.243401