同济大学羊亚平教授研究团队在超辐射量子相变研究上取得重要研究进展-同济大学新闻网

超辐射量子相变的研究可追溯到20世纪70年代，是凝聚态物理中的重要研究课题。近年来，随着实验物理技术的发展，量子相变的研究不仅局限在理论领域，在实验应用领域变得更加突出。自最初实现量子相变的理论模型以来，量子相变的理论模型几乎保持不变，需要超强耦合来打破系统的对称性。课题组成员，我校物理科学与工程学院、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室朱成杰研究员，通过与美国德州农工大学（Texas A&M University）Girish S. Agarwal教授的国际学术交流合作，经过深入的理论探索，在超辐射量子相变的研究上取得突破性进展。通过引入量子驱动，提出利用压缩光在Tavis-Cummings腔量子电动力学系统中实现一级和二级量子相变的新方案。

图1: 量子驱动的Tavis-Cummings腔量子电动力学系统。

羊亚平教授领导团队，利用光学参量放大过程，使腔场处于压缩态（如图1所示），从而破坏了旋转波近似下Tavis-Cummings模型固有的U(1) 对称性，并且可以在非超强耦合的情况下实现从正常相（粒子都处于基态，平均光子数为零）到超辐射相（部分粒子处于激发态，平均光子数不为零）的转变。如图2(a) 所示，通过计算系统的量子扰动，该系统被划分为三个不同的区域，分别对应正常相（区域I）、超辐射相（区域II），以及正常相与超辐射相共存的相（区域III）。对于不同的耦合强度，改变光参量放大的非线性增益系数（即泵浦光的强度），一级相变（I到III）和二级相变（I到II）都可以在该模型中实现。此类量子相变过程不仅可以通过探测腔内的平均光子数来表征，还可以通过观测相空间的Wigner函数分布来区分（如图2(b) - (c) 所示）。值得注意的是，在一级相变处，腔内平均光子数的增长速率远大于二级相变，这一光子数的突变行为可用于实现高灵敏、高精度的弱信号测量。

图2: (a) 腔内光子数涨落。区域I、II、III分别表示正常相、超辐射相和正常相与超辐射相共存的相。(b)、（c）不同耦合强度下腔内光子数随光参量放大的非线性增益系数的关系，以及各相对应的Wigner函数分布。

相关研究成果"Squeezed light induced symmetry breaking superradiant phase transition"于2020年2月19日发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 124, 073602 (2020)]上。同济大学是论文的第一单位，论文第一和第二作者分别是同济大学物理科学与工程学院、高等研究院朱成杰研究员及其博士研究生平磊磊，物理科学与工程学院羊亚平教授和德州农工大学G. S. Agarwal教授是该论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，上海市科委项目支持。

论文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.073602