飘忽不定的电磁热现象终于被发现存在于超导电路中

光与物质间的相互作用引起了多种物理现象,这些现象一直以来都在继续吸引着科学家们的关注,而且将来依然会如此。40多年前预测到的其中一种现象是“超辐射相变”(superradiant phase transition, SRPT),其表现为光与物质在热平衡下的超强耦合促使电磁场振幅自发地出现相干(静态电磁场自发出现)。该现象发生在热平衡条件下,这是它与迄今为止实现的所有自发相干的主要区别,包括在激光生成中以及只有物质的相变中产生的自发相干。遗憾的是,目前还未在实验中观察到SRPT,原因是实验和理论科学家都不知道如何才能观察到该现象!
现在,最新的研究成果让我们有望成功地观察到它。我们在本研究中找到了一个体系,可以从理论上证明热平衡下的SRPT现象。基于分析和数值计算,我们已经表明超导约瑟夫逊结集成电路 (Josephson junction circuit) 可以实现对SRPT的超导电流模拟。这一发现有望诞生出光学、电子学和热力学交叉的一个新学科,从而使超导体的研究走上超越当前量子计算方案的新道路。
为了让这些发现变为现实,我们从使用标准量子化得出的电路哈密顿量着手,证明了在热力学极限条件下会产生SRPT现象。接着,我们对少量原子的哈密顿量进行了数值对角化,并观察其渐近行为随着原子数量增加而发生的变化。果不其然,它再现了热力学极限条件下分析得出的行为,表明了SRPT的出现。
在等待我们的预测得到实验证实的同时,我们探索了该工作的一种有意义的应用。通过控制SRPT,有可能将热能直接转化为相干光——如果这一过程足够高效,它就可以帮助我们利用废热,从而节约对能源的消耗。此外,获得的光可以通过光缆传输到光照或其它能源不足的地方,从而使所有人都能更好地获得能源。虽然目前只是猜测,但这些应用有可能在未来50年内实现。目前,我们的研究可能是以“通过实验实现热平衡下SRPT”为目标的新研究方向上迈出的下一步。

论文标题:

Superradiant Phase Transition in a Superconducting Circuit in Thermal Equilibrium

作者:

Motoaki Bamba, Kunihiro Inomata, and Yasunobu Nakamura

DOI:

10.1103/PhysRevLett.117.173601

论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.173601