激光网3月15日消息，量子光学是一个复杂的领域，理论和实验物理学家合作取得突破，以解释亚原子水平的现象。
最近，来自因斯布鲁克大学的Farokh Mivehvar利用量子光学中最全面的模型Dicke模型来研究量子化场中两组原子的相互作用。这项新研究使超辐射态的观测成为可能，为高性能超辐射激光器铺平了道路。
1954年，迪克首次提出了超辐射的概念，它描述了一大群原子对光的集体发射。迪克的模型涉及一个由N个两能级原子组成的系统，它们最初都处于激发态。当一个原子自发发射光子时，它会触发级联效应，导致所有 N 个原子衰变并同时发射光子。
Dicke提出，通过将这些原子限制在波长的一小部分内，发射的光子将是相同的，从而导致相长干涉并产生振幅与N成正比，能量密度与N2成正比的电磁场。这种行为与N个孤立原子的独立衰变形成鲜明对比，其中光发射是不相干的，能量密度与N呈线性比例。
1973 年，Hepp 和 Lieb 发现了一种独特的稳态超辐射形式，其中一组原子与空腔的量子化模式相互作用。他们研究了这种相互作用的热平衡特性，采用Dicke模型作为框架。
他们揭示了两种状态之间的连续相变：正常状态和超辐射状态。在正态相中，光子数不会随着原子数的增加而增加，而在超辐射相中，n与N成比例。
量子材料是由多个原子物种组成的复杂量子多体系统。它们的低能量行为通常涉及多个自由度的复杂相互作用，例如电荷、自旋、轨道和晶格。
在探索对量子材料涌现特性的修改时，出现了一种替代方法，即用限制在腔内的量子力学光子模式代替经典激光场.
在传统的腔量子电动力学中，重点放在一个或多个发射器与腔的明确场模式之间的相互作用上。当发射极的单个偶极子跃迁与腔体强耦合时，这种相互作用变得特别值得注意，其特征是频率ω。这种情况可以使用简单的两能级模型进行有效描述，其中光与物质的相互作用由单个耦合强度 g 量化。
腔量子材料领域仍处于早期阶段，吸引了来自不同社区的研究人员，包括量子材料科学和量子多体物理学。腔量子材料有望作为光子平台，并可集成到基于光子的量子技术中。
量子材料固有的强电子相互作用可以促进双光子量子门的高效光子相互作用，并能够产生非经典的光态。
Dicke模型已经有效地利用腔辅助的双光子拉曼跃迁，玻色子和费米子原子都处于低位原子动量或超精细状态。研究人员还热衷于实施Dicke型模型，并探索波导QED构型和腔量子材料中的超辐射。
单个发射器的衰减率受其周围辐射环境的影响，这是腔体QED的关键概念。通过使用高反射镜来限制单个光学模式，腔体QED为发射器创造了一个局部储层，从而增强了其在腔体中的衰减。
在“波导QED”的背景下，原子与传播的光学模式相接，一维浴的概念变得相关。
环境还塑造了一组激发发射体的集体衰变。迪克超辐射是这种现象的例证：一个完全倒置的发射器集合使它们的衰变同步，导致发射一个短暂而强烈的光子脉冲。
受到量子气腔QED最新进展的启发，因斯布鲁克大学的理论物理学家Farokh Mivehvar引入了Dicke模型的一种新变体。这种方法被称为“非标准迪克模型”，涉及将两个独立的自旋 1/2 原子系综耦合到单个腔模式，每个系综具有不同的耦合强度。
然后，研究集中在耦合强度相反的特定场景上，相当于在酉变换下具有相等的耦合强度。这种配置导致了各种有趣的现象，主要归因于每个集合中总自旋的守恒。
半经典方法揭示了多稳态稳态相的存在，特别是双稳态超辐射状态。在这个双稳态区域内是±xFo-SR态，其中两个原子系综的总自旋在相同的x方向上排列，无论是正的还是负的。观察到其他超辐射相位，其特征是指向相反x方向的两个系综的总自旋。
Mivehvar还确定了系统多稳态中的初始状态，随后的非平衡动力学从这些状态中分化到任何稳态。系统不是向恒定状态演化，而是过渡到以振动路径为特征的非平稳状态。这种现象与竞争性固定点的存在有关。完整的量子力学计算也验证了±xFo-SR和±xFi-SR态的共存。
当两个耦合强度λ时1和 λ2,不同的是，哈密顿量不再单一地映射到标准 Dicke 模型。因此，该系统显示出更广泛的稳态和非稳态现象。这是由于每个系综中总自旋的守恒，促使对称迪克子空间范围之外的物理学探索。
在一般情况下，其中 λ1不等于 ±λ2，随着不同对称扇区的相互作用，系统的动态变得更加复杂和多样化。这种复杂性可能导致不同的临界行为和系统内多临界点的出现。
了解这些多临界点对于推进我们对量子腔模型中复杂超辐射发射现象的理解至关重要。所提出的模型可以很容易地在最先进的实验中实现，为研究腔QED实验装置中的各种非平衡磁有序和动力学现象提供了新的途径。
