研究背景

科学史上几次重大突破，让我们对构成自然界的基本粒子有了深入的认知，我们知道，自然界中存在着质子、中子、电子，乃至更为基本的夸克、中微子等基本粒子，并且这一认知还在不断的进步中。目前，构成自然界的基本粒子可以按照自旋(即自旋角动量，是粒子的内禀属性)分为两类：自旋量子数为整数的为玻色子，比如光子、传递相互作用的胶子、介子等；自旋量子数为半整数的为费米子，比如质子、中子、电子等。经典情形下，由玻色子和费米子组成的系统都符合玻尔兹曼分布，为经典气体，但随着温度的降低，物质的量子特性逐渐显现出来。

在量子力学中，玻色子boson是遵循玻色-爱因斯坦统计的粒子；玻色子是两类粒子之一，另一类是费米子；玻色子这个名字是保罗·狄拉克（Paul Dirac）为了纪念与阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）一起发展玻色-爱因斯坦统计理论（描述基本粒子性质的理论）的印度物理学家、加尔各答大学和达卡大学的物理教授萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）而命名的。玻色子的一个重要特征就是玻色统计不限制占据相同量子态的玻色子的数量。

超冷量子气体与光腔的耦合为研究多体物理中的相变提供了一个理想的系统。这种耦合在腔量子电动力学(QED)中利用超冷玻色子原子，导致近年来引人注目的发展。光子模式的发射体和量子场之间集体相互作用的一个典型例子是Dicke模型，它预测在强耦合强度下正常和稳态超辐射相之间的二阶量子相变(QPT)。利用玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的原子动量态，实现了Dicke相变。通过调节这种系统中的短程和长程相互作用，可以观察到自组织超固体相和电荷密度波。由于腔场的固有泄漏和物质与光之间的量子反作用，带有量子气体的腔QED可以有助于研究非平衡动力学，对称性破缺，驱动耗散相变的涨落，自组织晶格中的Mott绝缘体跃迁，以及Floquet动力学和离散时间晶体。

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研究成果

将玻色-爱因斯坦凝聚耦合到光学腔使得能够研究具有长程相互作用的多体态。然而，用超冷费米气体进行的等效实验基本上仍未被探索过。为解决这个世界难题，近日，华东师范大学武海斌教授课题组报道了简并费米气体在横向泵浦光腔中的超辐射量子相变的实验实现。通过将泵浦强度增加到阈值以上，费米气体的自排序棋盘密度模式和腔场的超辐射跃迁自发出现。费米统计的影响表现为阈值随原子数目的平方根反比和低原子动量态的缓慢动力学。这项工作为研究长程相互作用费米气体的多体态非平衡动力学提供了理想的平台，是一项里程碑突破！相关研究工作以“Observation of a superradiant quantum phase transition in an intracavity degenerate Fermi gas”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

值得注意的是，在2016年7月21日，也就是5年前，国际物理学权威学术期刊《科学》（Science）杂志正式发表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研究小组与清华大学翟荟教授小组以及中国人民大学齐燃副教授合作的文章“Observation of the Efimovian Expansion in Scale-Invariant Fermi Gases”。华东师范大学为该研究的第一完成单位。时隔5年，再发Science，为武海斌教授课题组点赞！

这里介绍一下武海斌教授，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授，博士生导师。2009年在美国阿肯色大学获得物理学博士学位；2010年至2012年在美国杜克大学物理系从事研究助理研究工作；2012年9月至今在华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室工作。主要从事量子光学、超冷费米原子气体的实验研究，依托实验室建立“超冷原子精密光谱学”研究方向；搭建了超冷费米原子和分子量子气体精密控制实验平台。在Science等物理学杂志发表学术研究论文40余篇。近五年发表通讯作者论文20篇，包括Science 1篇, Science Advances 1篇, Phys.Rev. Letts. 2篇等。发表论文多次被Nature‚ Science‚ Rev. Mod.Phys.‚ Nature子刊和Phys. Rev. Lett.等物理学期刊上同行的论文引用。SCI他引近1000次，其中两篇论文单篇引用超过100次。主持国家自然科学基金重点项目、重大计划项目和面上项目各一项，主持科技部重点研发计划量子调控专项课题以及上海市基础研究重大项目各一项，参与国家自然科学基金委创新群体和上海市市级科技重大专项等。获国家及上海市等多项人才计划资助。APS和OSA物理期刊审稿人；《低温物理学报》特约编委。

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图文速递

 图1. 费米子超辐射

图2. 稳态相图

作者通过将超冷费米气体耦合到光学腔来实现超辐射 QPT。实验示意图如图 1A 所示。在实验中，作者观察到蓝色泵浦腔失谐的超辐射，这是由于高阶模式失谐了大约5 MHz，由工作中使用的近乎共焦腔引起。当泵浦功率低于临界值（阈值）时，没有检测到腔的光透射。原子显示了加载在浅光学晶格中的费米气体的预期动量分布。一旦泵浦功率增加超过阈值，腔内场就会突然建立，原子密度波动会引起超辐射 QPT。值得注意的是，只有当费米子分布最初远离其平衡分布时，单腔模式的费米子超辐射才有可能在蓝色失谐区域中出现。

图3.阈值缩放

图4.费米子超辐射泵浦功率的动态响应

作者研究了自组织阈值随原子数的缩放，与玻色气体相比，它显示出截然不同的行为，如图 3 所示。阈值缩放对温度的依赖性清楚地表明量子统计在费米子超辐射中很重要。接下来，作者通过在时间常数 tr 内将泵浦晶格功率斜升至零后测量不同动量状态下的原子分数，研究了费米子超辐射自组织的动态响应。原子被限制在二维光学晶格中的管阵列中，该二维光学晶格由泵浦和出现的腔内场的组合形成，泵浦功率高于阈值。由于深晶格中相邻管之间原子的隧道速率受到抑制，观察到的干涉图案的对比度随着长时间的保持时间 td 降低。在 BEC 超辐射的情况下，可以通过将泵浦功率斜升到零来恢复这种相位相干性。然而，费米子超辐射显示出不同的动态响应。因此作者通过改变晶格激光束的强度来改变泵浦功率。费米子在接近常态时对泵浦光和出射场干涉图的相对较慢的动力学很可能是由泡利阻塞引起的，它阻止原子占据在低温下已经存在的低动量态。

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结论与展望

在这项研究中， 作者首次揭示了量子统计对超辐射量子相变的作用，发现泡利排斥改变了临界泵的缩放比例强度与原子数，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。为华东师范大学点赞！

文章链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abd4385