近日，西南理論物理中心、重慶大學物理學院張瑜瑜教授和胡自翔教授課題組，基于光與物質(zhì)強耦合的量子Rabi光腔系統(tǒng)，觀測到與超導體中邁斯納效應(yīng)類似的光子流行為，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)中的邊緣電流類似。這一研究揭示了人工磁場與超輻射相變的新機制，為在量子光學平臺模擬和調(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)表在國際物理頂級期刊《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磁通；（b）N=8系統(tǒng)無阻挫下“邁斯納超輻射相”(MSR)的光子數(shù)分布與光子渦旋對;(c)N=10阻挫下MSR相的光子數(shù)分布與光子渦旋對；(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)是表征超導體在磁場中的一種顯著現(xiàn)象，表現(xiàn)為表面電流的產(chǎn)生，使材料內(nèi)部磁場被完全抵消。在低維量子系統(tǒng)中，如何探索類似邁斯納效應(yīng)的物理機制，并研究磁場與多體相互作用之間的關(guān)聯(lián)，一直是長期存在的挑戰(zhàn)。

該研究團隊在量子Rabi光腔系統(tǒng)中設(shè)計了一種zigzag光腔鏈，通過引入交錯贗磁通，成功在上下三角光腔內(nèi)形成穩(wěn)定的光子渦旋對。這些成對出現(xiàn)的光子渦旋在光腔體內(nèi)相互抵消，導致光子僅沿邊緣流動，形成具有手性的邊緣光子流，該行為與超導體的邁斯納效應(yīng)高度相似，因此被稱為“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稱性破缺，其光子數(shù)分布雖不均勻，但奇偶光腔間存在對稱性，促使光子渦旋成對產(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，會形成更多反平行光子渦旋對，且?guī)缀巫璐鞂е虏煌叽缦到y(tǒng)在相變過程中展現(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，交錯磁通的調(diào)控可模擬超導體中類似的邁斯納相-渦旋相的相變。在新超輻射相變中，通過調(diào)節(jié)交錯磁通量，觀測到在奇數(shù)或偶數(shù)腔體中形成渦旋光子流，稱為奇渦旋超輻射相（OVSR）和偶渦旋超輻射相（EVSR）。當增強光子最近鄰光腔間的躍遷強度，系統(tǒng)會進入鐵磁超輻射相（FSR），此時光子流完全消失，同時奇偶光腔中的光子數(shù)呈現(xiàn)差異，形成類似亞鐵磁的光子數(shù)分布。

這種新出現(xiàn)的邊緣光子流和反平行渦旋對，即使不具備拓撲性質(zhì)，仍表現(xiàn)出類似于量子霍爾效應(yīng)的魯棒特性。本研究不僅拓展了對光-物質(zhì)相互作用系統(tǒng)在人工磁場調(diào)控下豐富新奇量子相變和新量子態(tài)的研究，也為將來在光量子平臺模擬多體物理中新奇物態(tài)和量子霍爾類似效應(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。研究得到了國家自然科學基金（項目編號：12475013、12474140、12347101）的資助。

相關(guān)論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/qj5x-t71k

來源：物理學院

作者：張瑜瑜