近日，西南理論物理中心、重慶大學(xué)物理學(xué)院張瑜瑜教授和胡自翔教授課題組，基于光與物質(zhì)強(qiáng)耦合的量子Rabi光腔系統(tǒng)，觀(guān)測(cè)到與超導(dǎo)體中邁斯納效應(yīng)類(lèi)似的光子流行為，即穩(wěn)定的邊緣光子流與光子渦旋，其魯棒特性與量子霍爾效應(yīng)中的邊緣電流類(lèi)似。這一研究揭示了人工磁場(chǎng)與超輻射相變的新機(jī)制，為在量子光學(xué)平臺(tái)模擬和調(diào)控多體量子現(xiàn)象提供了新視角。相關(guān)成果以“Meissner-Like Currents of Photons in Anomalous Superradiant Phases”為題發(fā)表在國(guó)際物理頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。 
圖1（a）量子Rabi光腔構(gòu)建的zigzag鏈結(jié)構(gòu),上（下）三角腔中人工合成交錯(cuò)磁通；（b）N=8系統(tǒng)無(wú)阻挫下“邁斯納超輻射相”(MSR)的光子數(shù)分布與光子渦旋對(duì);(c)N=10阻挫下MSR相的光子數(shù)分布與光子渦旋對(duì)；(d)N=10系統(tǒng)奇（偶）渦旋超輻射相的光子數(shù)分布與光子渦旋。
邁斯納效應(yīng)是表征超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的一種顯著現(xiàn)象，表現(xiàn)為表面電流的產(chǎn)生，使材料內(nèi)部磁場(chǎng)被完全抵消。在低維量子系統(tǒng)中，如何探索類(lèi)似邁斯納效應(yīng)的物理機(jī)制，并研究磁場(chǎng)與多體相互作用之間的關(guān)聯(lián)，一直是長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。
該研究團(tuán)隊(duì)在量子Rabi光腔系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種zigzag光腔鏈，通過(guò)引入交錯(cuò)贗磁通，成功在上下三角光腔內(nèi)形成穩(wěn)定的光子渦旋對(duì)。這些成對(duì)出現(xiàn)的光子渦旋在光腔體內(nèi)相互抵消，導(dǎo)致光子僅沿邊緣流動(dòng)，形成具有手性的邊緣光子流，該行為與超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)高度相似，因此被稱(chēng)為“邁斯納超輻射相”。該相的形成源于多光腔超輻射相變中的對(duì)稱(chēng)性破缺，其光子數(shù)分布雖不均勻，但奇偶光腔間存在對(duì)稱(chēng)性，促使光子渦旋成對(duì)產(chǎn)生與抵消。研究還發(fā)現(xiàn)，在具有幾何阻挫的系統(tǒng)（如N=10）中，會(huì)形成更多反平行光子渦旋對(duì)，且?guī)缀巫璐鞂?dǎo)致不同尺寸系統(tǒng)在相變過(guò)程中展現(xiàn)出非常規(guī)臨界指數(shù)，揭示了邁斯納超輻射相變的普適性規(guī)律。
研究表明，交錯(cuò)磁通的調(diào)控可模擬超導(dǎo)體中類(lèi)似的邁斯納相-渦旋相的相變。在新超輻射相變中，通過(guò)調(diào)節(jié)交錯(cuò)磁通量，觀(guān)測(cè)到在奇數(shù)或偶數(shù)腔體中形成渦旋光子流，稱(chēng)為奇渦旋超輻射相（OVSR）和偶渦旋超輻射相（EVSR）。當(dāng)增強(qiáng)光子最近鄰光腔間的躍遷強(qiáng)度，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入鐵磁超輻射相（FSR），此時(shí)光子流完全消失，同時(shí)奇偶光腔中的光子數(shù)呈現(xiàn)差異，形成類(lèi)似亞鐵磁的光子數(shù)分布。
這種新出現(xiàn)的邊緣光子流和反平行渦旋對(duì)，即使不具備拓?fù)湫再|(zhì)，仍表現(xiàn)出類(lèi)似于量子霍爾效應(yīng)的魯棒特性。本研究不僅拓展了對(duì)光-物質(zhì)相互作用系統(tǒng)在人工磁場(chǎng)調(diào)控下豐富新奇量子相變和新量子態(tài)的研究，也為將來(lái)在光量子平臺(tái)模擬多體物理中新奇物態(tài)和量子霍爾類(lèi)似效應(yīng)提供新思路。論文第一作者為研究生李林俊和黃鵬飛，通訊作者為胡自翔和張瑜瑜。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：12475013、12474140、12347101）的資助。
相關(guān)論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/qj5x-t71k
來(lái)源：物理學(xué)院
作者：張瑜瑜
