5月7日，物理学权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线刊发我院吕新友教授和日本理化学研究所FrancoNori教授合作的论文“Nonreciprocal Superradiant Phase Transitions and Multicriticality in a Cavity QED System”。物理学院2018级博士生朱贵蕾为论文的第一作者，吕新友教授和Franco Nori教授为共同通讯作者。主要合作者还有物理学院博士后胡长生，天津大学秦伟教授、日本理化学研究所王惠博士。该工作受到科技部国家重点研发计划（2021YFA1400700）的资助。

量子相变及其诱导的临界效应一直是量子光学、凝聚态物理等领域的前沿研究课题。量子相变产生的量子纠缠是实现量子信息传递的重要物理资源，在量子信息处理、量子计算以及量子精密测量中有重要应用。量子相变系统中的多临界点展现出独特的普适类，这种特殊性使其在探索新型材料方面发挥关键作用。因此，实现对量子相变及其临界效应的操控是推动量子物理及相关量子技术和材料科学发展的重要基础。增加原子-场耦合强度到一个临界值，可以诱发系统从正常相到超辐射相的转变。在开放系统中，光子耗散会对系统的临界行为产生重要影响，它可以诱导多临界效应，也可以完全抑制临界行为。通常来说，量子Rabi模型中超辐射相变的发生需要两个关键条件：(i)光-物质耦合达到超强耦合机制，和(ii)原子频率与腔场频率比值趋于无穷，即热力学极限条件。尽管Rabi超辐射相变已经在各种量子模拟平台中得到验证，比如核磁共振量子模拟器、离子阱中的受驱动原子以及超导量子比特等。然而，在腔量子电动力学（QED）系统中尚未被报道，主要原因是在当前腔QED系统中实现上述两个条件极具挑战性。此外，到目前为止，超辐射相变的发生还没有同时结合非互易性、可调谐性和紧凑集成等精细可控特性。

图1:全光操控的非互易超辐射相变和多临界现象。相图中三角形表示三相点，圆圈表示多临界点。

在该论文中，作者提出了在腔QED系统中利用外部场全光操控稳态超辐射相变和多临界点的理论方法。他们考虑单个二能级原子与回廊模式微腔的两个反向传播模式同时相互作用，系统哈密顿量用双耦合的Jaynes-Cummings（JC） 模型描述。通常情况下，在腔体耗散存在时，双耦合JC哈密顿量不会发生超辐射相变。他们考虑在微腔中嵌入χ⁽²⁾非线性介质，当一个经典场从一端输入时，腔模被定向泵浦，从而激活相变。参数泵浦过程产生的双光子驱动使哈密顿量从U(1)对称性变成了Z₂对称性。这个受驱动-耗散的装置允许稳态超辐射相变发生在实验上易于实现的腔QED系统中：相变不需要超强的原子-场耦合，而且热力学极限条件可以通过调节外部泵浦场的频率轻松实现。有趣的是，微腔的旋转和单向压缩共同导致了当外部经典场从两端输入时，超辐射相变的临界点向相反方向移动。因此，系统表现出非互易的一阶和二阶超辐射相变。此外，系统相图出现了三相点和多临界点，这两种临界点都表现出非互易性，并可以通过外部场进行精确操控[见图1]。与传统的磁系统或电系统相比，全光操控方案具有紧凑性强、易于集成和功耗低等优势。该工作将相变和多临界理论与非互易物理结合，将为芯片级的单向超辐射激光器和集成的高精度量子传感等新应用提供重要的理论指导。

相关研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 132, 193602 (2024) .

论文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.193602