美国时间8月26日，国际物理学权威学术期刊《科学》（Science）杂志以“First Release”形式刊发Im体育官方版app下载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”。这是2016年发表《标度不变的费米气体中Efimovian膨胀的观察》后，武海斌团队成果以Im体育官方版app下载为第一完成单位再登《科学》正刊。
《科学》“First Release”武海斌课题组研究
该研究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。
Im体育官网app精密光谱科学与技术国家重点实验室武海斌教授
“这是一个重要的里程碑”
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。
该研究被评审人评价为“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。”另一个评审人评价是“这是一个期待已久的实验去观察先前仅仅在理论上预测过的”；“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。”
超辐射量子相变的费米统计首次在实验中观察到
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，其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，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。
实验设计如图1A所示，一个频率小于费米原子共振频率的激光在横向泵浦光学腔内的超冷费米原子，当泵浦功率低于一个临界值（阈值）时，在光学腔的输出观察不到透射的光，费米原子展现了其在浅光学晶格中的费米气体动量分布（图1C中的（i）和（ii））；一旦泵浦光功率增加到阈值以上，光学腔内的光场就会突然形成，同时原子密度波动诱发超辐射量子相变，对角线动量分量的原子会突然增加，自发的自组织，形成棋盘格图案的原子密度分布（图1C（iii））。
图1：费米子超辐射。(A）实验设计。法布里-珀罗腔（FP）、光电倍增管（PMT）、电子增强电荷耦合器件（EMCCD）和光子探测器（PD）(B）内腔光场（黄色曲线）和泵浦功率（蓝色曲线）。当泵浦功率超过临界值（阈值）时，内腔场突然建立，原子气体显示出超流量子相变。(C）原子的吸收图像（i）没有泵晶格，（ii）泵晶格深度为6.15Er（接近阈值）和（iii）泵晶格深度为22.7 Er（越过阈值），原子经历自组织并出现棋盘图案，其中Er为反冲能量。
根据泡利不相容原理，费米原子散射泵浦光的概率并不相等，只有耦合到未被粒子数占据的终态费米子才能经历自组织形成相变。因此其阈值和原子数的标度取决于费米能量，和玻色爱因斯坦凝聚和热原子表现出不同的标度率，如图2所示，在高温下，相变阈值和原子数的标度率为N-1（N为原子数）；而在低温下，我们发现其标度率为N-1/2。
图2：超流量子相变阈值和原子数的标度率。红点和蓝点分别对应于T/TF0=0.28（0.02）和T/TF0=0.65（0.05）的测量数据。括号内表示标准偏差。黑色实线与函数Pth=CN-s的拟合结果，结果低温的标度率为s=0.48（0.02），与理论预测s=1/2相吻合；高温的标度率为s=0.97（0.04），接近N-1。
持续攻关，5年两次登上《科学》
精密光谱科学与技术国家重点实验室，依托Im体育官方版app下载，围绕国家重大战略需求和国际科技前沿，形成了“高精度”“高分辨”“高灵敏”的精密光谱研究平台，发展光场时频精密控制与测量新技术，揭示光场与物质相互作用的新机制、新效应，开拓航空航天与国防安全等重大应用。
这支国重实验室团队为冲击世界第一梯队、引领卓越大学建设，始终瞄准国家使命性任务和面向世界科学前沿，矢志不渝不懈奋斗，付出了艰苦的努力。
该研究中，Im体育官方版app下载为第一完成单位，合作单位是中国工程物理研究院研究生院，博士生张笑天为论文第一作者。武海斌教授为论文的通讯作者。
武海斌2012年获Im体育官方版app下载“青年高层次人才计划”支持引进，入选中组部“海外高层次人才引进”计划。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，武海斌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，2019年获国家自然科学基金委杰出青年基金资助。
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：实验发现了强相互作用超冷费米气体普适的Efimovian膨胀动力学[Science 353,371(2016)]以及超级Efimovian膨胀动力学[Phys. Rev. Lett. 120, 125301 (2018)]；在强相互作用超冷费米气体中首次实现量子绝热捷径以及强关联多体热机做功的耗散抑制 [Science Advances 4, eaar5009 (2018)]；实现了一种区别于传统热传递机制的新型长程可控热传输 [Nat. Commun. 11, 4656 (2020)，Phys. Rev. Lett.124, 053604 (2020)]。
在强相互作用超冷量子气体非平衡多体动力学和热力学操控中积累了丰富的研究经验。本论文的另一作者邓书金青年研究员是武海斌教授的第一个博士毕业生，为我校青年紫江学者（2017年）。
这项工作得到了科技部量子调控重点专项、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金杰出青年基金项目、上海市市级重大专项以及重大基础研究项目的资助。
图文、来源丨精密光谱科学与技术国家重点实验室科技处 编辑丨吴潇岚 余苏宁 编审丨郭文君
