人工磁场调控下的超辐射相中发现类似量子磁性的研究登Physical Review Letters

2022年10月25日，重庆大学物理学院张瑜瑜教授及其研究生成国靖，与美国莱斯大学浦晗教授团队合作，在物理顶级期刊Physical Review Letters上发表了题目为“Understanding the Quantum Rabi Ring Using Analogies to Quantum Magnetism”（从量子磁性角度理解量子拉比环）的研究论文。量子光学系统与磁性系统分属于完全不同的物理领域，然而他们创新性地提出了一种方式可以从磁性相互作用的角度来理解量子光学模型中丰富的超辐射相变等物理机制。

近年来人们对磁性材料中自旋的Dzyaloshinskii-Moriya (DM)作用具有浓厚的兴趣，因为这种磁性作用总是使相邻自旋趋于相互垂直排列。DM作用与铁磁作用的竞争形成了自旋波矢的左手和右手旋转的螺旋磁结构，称为手性磁体，出现磁性斯格明子（skyrmion）等有趣现象。不同于真实的磁性材料，等效的赝磁性系统更容易实现不同的磁性作用及作用强度的调制。光与物质相互作用系统具有高度的人工可操纵性，可模拟实际磁性系统难以实现的磁作用及现象。

我们工作中发现了光与原子相互作用系统-量子拉比环可等效于量子磁性系统，出现了等效的自旋DM作用和XY自旋交换作用，且作用强度受人工磁场的调制，两种系统得到了相同的量子相图，观测到系统的时间反演对称性和手性对称性的破缺。通过自旋不同磁性作用的竞争来描述量子拉比环模型中光子被激发的三种超辐射相，分别等效于自旋磁性系统的铁磁相，反铁磁相和手性磁性相；光子不激发的正常相类比于顺磁相。在手性磁性相，DM作用起主导作用，可观测到不同格点上赝自旋的x和y分量形成类似磁性斯格明子的结构（如图1b），这与手性超辐射相的复数序参量相关。我们发现，奇数和偶数的量子拉比环系统，其手性量子相的激发能的临界指数不同，且手性磁性相与铁磁相，反铁磁相属于不同的相变普适类。

图1（a）N=4的磁性模型量子相图：铁磁相（FP），反铁磁相（AFP），手性磁性相（CP），以及顺磁相（pp）；（b）手性磁性相中，4格点平面内的自旋结构，类似磁性斯格明子。

该工作不仅开拓了量子光学模型中手性超辐射相与自旋磁性系统的手性磁性本质关联的研究，而且将来可应用到复杂磁性系统的新奇量子现象的模拟中。该研究得到了国家自然科学基金，重庆市自然科学基金，中央高校基本科研业务费-基础前沿交叉项目等基金的支持。

相关论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.183602