超辐射相变——桥接量子光学、热力学与凝聚态物理学

1973年,物理学家在理论上预测了一种称为“超辐射相变”(superradiant phase transition, SRPT)的现象。这种现象是由一类特殊的光与物质相互作用引起的,产生了所谓的迪克协同作用(Dicke cooperativity)。我们在高温(正相)下发现物质中存在着由粒子热运动引起的非相干(随机)电磁极化(或电流),从而获得了非相干电磁波(热辐射)。当温度降低时,我们往往能发现热辐射的强度也就会降低。相比之下,当出现SRPT现象时,在低于临界温度的温度下(在超辐射相中),我们可以发现物质中自发出现一个相干静态的(即时间上非振荡的)电磁场以及相干静态的电磁极化(或称相干持续电流)。由于光与物质的超强耦合,这种超辐射相得以稳定。遗憾的是,目前还没有在实验上发现过SRPT现象。
然而,这种现象并不仅限于光与物质的相互作用中;也可以出现在物质与物质强耦合的系统中。2018年,我们在《科学(Science)》杂志上发表了一篇论文。在该研究中,我们通过实验观察到一种被称为铒铁氧体(ErFeO3)的化合物中发生了“磁振子”迪克协同作用。我们从该体系的哈密顿量(体系能量)中取出光的部分,并用铁(Fe)原子上的自旋波(磁振子)对其进行模拟。在这种情况下,铒(Er)自旋的电子顺磁共振即是SRPT历程中原子的电磁跃迁。
以我们所观察到的磁振子迪克协同作用作为磁振子SRPT证据的做法多少存在着争议,因此我们最近就ErFeO3体系的结果进行了理论分析。我们的最新研究证明铁磁振子与铒自旋之间的超强耦合是产生ErFeO3相变的原因,而铒与铒的相互作用也是部分原因。
我们的发现标志着磁振子SRPT首次在物质系统中得到证实,如此就为我们对光子SRPT的理解铺平了道路,并且让我们有了实现这一现象的可能。光子SRPT这一重大事件标志着量子光学、热力学与固态物理学实现了相互之间的关联。其有望被应用于抗噪声量子技术以及直接由热产生相干光(例如激光)的应用,从而得以帮助我们节省大量的能源。

论文标题:

Magnonic Superradiant Phase Transition

作者:

Motoaki Bamba, Xinwei Li, Nicolas Marquez Peraca, and Junichiro Kono

论文链接:

https://arxiv.org/abs/2007.13263