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光与原子强耦合系统的新奇量子相研究登《Physical Review Letters》

日期 : 2021-08-11

摘要

最近，重庆大学张瑜瑜副教授，胡自翔研究员，张学锋研究员，与中物院研究生院傅立斌教授，兰州大学罗洪刚教授，美国Rice University浦晗教授，提出了量子拉比三角模型作为合成规范场的最小单元，首次研究了人工磁场诱导的光子跃迁所产生的新量子相。

该工作在原子频率极限下给出了系统的严格解析解，发现了弱耦合的非相干量子相（iCP），和强耦合下光子流的手性相干相(cCP)和正常相干相(nCP)，前者破坏了Z2 和手性对称性，后者破坏了Z2 对称性。研究表明，人工规范场可调制光子流运动的方向性，诱导cCP到nCP的一级量子相变；而iCP到两种相干相的变化属于二级量子相变，准确计算其临界指数，与Dicke模型超辐射相变属于相同的普适类。该工作不仅可模拟人工规范场下二维光与原子强耦合多体系统以及冷原子系统的许多物理现象，而且将来可以应用到量子计算模拟研究中。

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图（a）量子拉比三角模型示意图，人工规范场诱导的光子跃迁；（b）量子相图。

该工作于2021年8月2日以重庆大学第一单位和通讯单位在Physical Review Letters上发表论文“Quantum phases in a quantum Rabi triangle”（量子拉比三角体系中的量子相），张瑜瑜为论文的第一作者和通讯作者，张学锋为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、重庆市自然科学基金，中组部“海外高层次人才引进计划”，中央高校基本科研业务费-前沿科学与颠覆性卡脖子技术研究子项等的支持和资助。

光与原子相互作用系统一方面可实现强耦合作用的人工调制，另一方面可操纵赝磁场来诱导新的物理现象，因此被广泛地用来模拟量子多体系统的新奇量子相的产生。近年来，张瑜瑜和国内外同行发现，光与单原子强耦合的量子拉比模型这种少体系统中的超辐射相变，与热力学极限下无穷多原子的Dicke模型具有类似的量子相变行为。光-原子强耦合的多体系统的严格解很困难，其丰富的量子相变和临界现象研究具有挑战性。