观测磁振子迪克超辐射相变：突破与量子技术新契机

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《SCIENCE ADVANCES》：Observation of the magnonic Dicke superradiant phase transition

【字体：大中小】 时间：2025年04月05日 来源：SCIENCE ADVANCES 11.7

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　　为解决超辐射相变（SRPT）在热平衡中难以实现及相关争议问题，研究人员开展了在 ErFeO₃中观测磁振子 SRPT 的研究。结果发现了该相变的光谱特征，证实了磁振子 SRPT 的存在。这为量子技术发展提供新途径，意义重大。

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　　在量子世界中，两个能级的原子与单模腔光子超强耦合时，理论上会发生一种神奇的量子相变 —— 超辐射相变（SRPT）。在这个相变过程中，即使没有外部驱动，原子极化和光子场也会变得有限，就像微观世界里的一场奇妙 “魔法”。然而，由于抗磁项（diamagnetic term）的存在，一个 “禁止定理（no - go theorem）” 给这个相变的实现设下了重重障碍，使得它在热平衡状态下的出现一直备受争议。为了突破这个困境，探索量子世界更多的奥秘，研究人员踏上了寻找新途径实现 SRPT 的征程。

此次研究由未知研究机构的研究人员展开，他们将目光聚焦在 ErFeO₃这种材料上，致力于观测其中的磁振子超辐射相变。最终，他们成功地观察到了磁振子 SRPT 在热平衡状态下的光谱证据，这一成果意义非凡，为量子技术的发展开辟了新的道路，相关论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员在研究过程中，主要运用了以下关键技术方法：

光谱测量技术：通过太赫兹时域磁光谱（THz - TDMS）和连续波（CW）吉赫兹光谱测量，在不同频率范围监测 Fe^{3 +}-Er^{3 +}混合系统中 ω_±模式随磁场的演变，以此来寻找 SRPT 的光谱特征。
理论模型构建：利用自旋哈密顿量（spin Hamiltonian）描述系统，通过平均场理论和海森堡运动方程线性化计算共振频率和相图，还推导出扩展的 Dicke 模型，分析各模式在光 - 物质相互作用中的角色。

研究结果如下：

预期的光谱特征：依据简单 Dicke 模型，SRPT 可通过光谱特征识别。在零失谐（ω₀ = ω_a）时，当耦合强度 g 超过临界值，会发生 SRPT，导致 ω_?频率完全软化（出现扭结）。对于 ErFeO₃，通过改变磁场可调节 ν（ν = ω_a/ω₀），在特定临界磁场 H_c和足够低的温度下，预期会发生 SRPT。
ErFeO₃的磁结构：当 4 K < T < 87 K 时，Fe^{3 +}自旋反铁磁有序且有微弱铁磁矩，Er^{3 +}自旋为顺磁态；温度降低，Fe^{3 +}自旋的 Néel 向量旋转，Er^{3 +}自旋发展为 C 型反铁磁有序。这种磁结构变化对应着 N → SR 相转变，施加磁场可诱导 Γ₁₂ → Γ₂转变，用于演示磁振子 SRPT。
THz 和 GHz 磁光谱研究：对 ErFeO₃单晶进行传输磁光谱实验，在 THz - TDMS 实验中，发现 ω₊模式在 1.8 T 处有明显的扭结；在 GHz 光谱测量中，ω_?模式出现软化行为，两者共同证明了磁振子 SRPT 的存在。
自旋哈密顿量的平均场理论：由于包含原子 - 原子相互作用的 Dicke 模型无精确解，研究人员采用自旋哈密顿量并添加 Er^{3 +}自旋各向异性项来模拟实验结果。计算得到的相图和共振频率与实验数据吻合良好，进一步验证了研究结论。
扩展 Dicke 模型的推导：从自旋哈密顿量推导出扩展 Dicke 模型，该模型展现了 Fe^{3 +}的准反铁磁（qAFM）模式和 Er^{3 +}电子顺磁共振（EPR）的作用以及两者耦合的协同性质，且不存在抗磁项，no - go theorem 不适用，从而有力地支持了磁振子 SRPT 的观测结果。

研究结论和讨论部分表明，研究人员提供了光谱证据，证明 ErFeO₃中的 Γ₁₂ → Γ₂相转变可被理解为量子光学中的 SR → N 转变，这一转变是二阶相变，与其他固体中的模式软化现象不同。该研究成果不仅证实了长期以来 Dicke 模型中无抗磁项时 SRPT 的存在，还为探索 SR 相中的新奇量子真空现象提供了可能。在 SR 相边界，双模式基态可实现完美压缩，这意味着在磁场中的 ErFeO₃为实现量子信息科学中至关重要的大规模量子纠缠提供了独特机会。此外，该研究还为通过交换途径在腔量子电动力学（QED）中实现光子 SRPT 提供了思路，为基于 QED 概念发现和控制凝聚态物质相开辟了新方向，在量子技术领域有着巨大的潜在应用价值。

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