重庆大学张瑜瑜教授和胡自翔教授在类迈斯纳效应的光子流研究取得重要进展

近日，西南理论物理中心、重庆大学物理学院张瑜瑜教授和胡自翔教授课题组，基于光与物质强耦合的量子Rabi光腔系统，观测到与超导体中迈斯纳效应类似的光子流行为，即稳定的边缘光子流与光子涡旋，其鲁棒特性与量子霍尔效应中的边缘电流类似。这一研究揭示了人工磁场与超辐射相变的新机制，为在量子光学平台模拟和调控多体量子现象提供了新视角。相关成果以“Meissner-Like Currents of Photons in Anomalous Superradiant Phases”为题发表在国际物理顶级期刊《Physical Review Letters》。                               

图1（a）量子Rabi光腔构建的zigzag链结构,上（下）三角腔中人工合成交错磁通；（b）N=8系统无阻挫下“迈斯纳超辐射相”(MSR)的光子数分布与光子涡旋对;(c)N=10阻挫下MSR相的光子数分布与光子涡旋对；(d)N=10系统奇（偶）涡旋超辐射相的光子数分布与光子涡旋。

迈斯纳效应是表征超导体在磁场中的一种显著现象，表现为表面电流的产生，使材料内部磁场被完全抵消。在低维量子系统中，如何探索类似迈斯纳效应的物理机制，并研究磁场与多体相互作用之间的关联，一直是长期存在的挑战。

该研究团队在量子Rabi光腔系统中设计了一种zigzag光腔链，通过引入交错赝磁通，成功在上下三角光腔内形成稳定的光子涡旋对。这些成对出现的光子涡旋在光腔体内相互抵消，导致光子仅沿边缘流动，形成具有手性的边缘光子流，该行为与超导体的迈斯纳效应高度相似，因此被称为“迈斯纳超辐射相”。该相的形成源于多光腔超辐射相变中的对称性破缺，其光子数分布虽不均匀，但奇偶光腔间存在对称性，促使光子涡旋成对产生与抵消。研究还发现，在具有几何阻挫的系统（如N=10）中，会形成更多反平行光子涡旋对，且几何阻挫导致不同尺寸系统在相变过程中展现出非常规临界指数，揭示了迈斯纳超辐射相变的普适性规律。

研究表明，交错磁通的调控可模拟超导体中类似的迈斯纳相-涡旋相的相变。在新超辐射相变中，通过调节交错磁通量，观测到在奇数或偶数腔体中形成涡旋光子流，称为奇涡旋超辐射相（OVSR）和偶涡旋超辐射相（EVSR）。当增强光子最近邻光腔间的跃迁强度，系统会进入铁磁超辐射相（FSR），此时光子流完全消失，同时奇偶光腔中的光子数呈现差异，形成类似亚铁磁的光子数分布。

这种新出现的边缘光子流和反平行涡旋对，即使不具备拓扑性质，仍表现出类似于量子霍尔效应的鲁棒特性。本研究不仅拓展了对光-物质相互作用系统在人工磁场调控下丰富新奇量子相变和新量子态的研究，也为将来在光量子平台模拟多体物理中新奇物态和量子霍尔类似效应提供新思路。论文第一作者为研究生李林俊和黄鹏飞，通讯作者为胡自翔和张瑜瑜。研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12475013、12474140、12347101）的资助。

相关论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/qj5x-t71k

来源：物理学院

作者：张瑜瑜