华东师范大学最新Science！被国际同行评价为“重要里程碑”

2021

09/01

临床科研与meta分析

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海科学家在国际物理前沿又有了新突破！美国时间8月26日，国际顶尖学术期刊《科学》（Science）以“首次发布”的形式刊发华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武海斌教授课题组的研究成果：光学腔内超冷简并费米气体超辐射量子相变的观测。论文标题为“Observation of a superradiant quantum phase transition in an intracavity degenerate Fermi gas”。

超冷量子气体与腔量子电动力学相结合为研究新奇的多体物理相变提供了一个理想的系统。一个标志性例子是著名的Dicke模型，其描述了光场和原子之间的集体相互作用，在强耦合下可出现一个在正常和稳态超辐射相之间的二阶量子相变。但自1973 年提出这一超辐射量子相变以来，一直没有在实验上观察到。直到2010年在玻色爱因斯坦凝聚体（BEC）中利用超冷原子的动量态才实现了Dicke相变。

与玻色原子相对应的自然界中的另一类原子——费米原子，它和腔量子电动力学的相结合尽管很早就引起科学家的广泛关注，但实验研究具有极大的挑战性。是否可以在费米原子中实现物质波的放大在20年前就在科学领域内有大的争论；2014年三个理论小组预测了简并费米气体中存在稳态超辐射相，其原子量子统计和光晶格的嵌套起着重要的作用。然而量子统计一直没有在实验上被观察到。

武海斌教授课题组从2013年聚焦这一挑战的实验，经过多年的努力，克服了超冷量子气体复杂系统中光学腔的频率精密控制技术，率先实现了超冷费米原子和光学腔的强耦合。在本研究中，发展了精密调控光学腔内超冷费米气体温度的操控手段，首次观察到了费米原子的超辐射量子相变，更重要的是第一次揭示了原子统计在超辐射量子相变中的作用。

研究工作首次揭示了量子统计在超辐射量子相变中的作用，发现泡利排斥改变了临界泵浦强度随原子数的标度率，为研究长程相互作用费米多体态的非平衡动力学提供了一个理想的平台，将打开许多新的研究方向。

有国际同行认为：“这是一个重要的里程碑，为实现利用光子媒介的相互作用来探索长程相互作用费米子多体物理的量子模拟铺平了道路。”也有科学家表示，“费米统计对观测到耗散相变的影响将打开一个到目前为止仅可以从理论上考虑的整个领域。许多令人兴奋的观察，如拓扑相的耗散稳定或自旋液体相，将随之而来。”

武海斌教授是论文的通讯作者。在学校的支持下，依托精密光谱科学与技术国家重点实验室，建立了超冷原子和分子精密控制的实验平台，组织团队持续攻关，研究强相互作用超冷量子气体的实验研究。近些年来，其团队在多体强相互作用非平衡动力学以及量子热力学方面取得一系列重要研究进展。