腔量子电动力学调控的幺正费米气体中电荷与配对密度波共存相

《Nature Communications》：Cavity-mediated charge and pair-density waves in a unitary Fermi gas

本刊推荐：为解决强关联量子物质中竞争序与交织序的微观机制问题，研究人员开展了腔量子电动力学（cQED）与幺正费米气体耦合的实验研究。他们成功实现了光场超辐射、电荷密度波（CDW）和配对密度波（PDW）三种序参量的强耦合与干涉，观测到其相图呈现典型的Fano线型。该研究揭示了光场与原子对直接耦合的新机制，为利用腔QED模拟复杂量子物质提供了新范式。

　　

在强关联量子物质的研究中，不同电子序之间的竞争与交织是理解高温超导体、范德瓦尔斯材料等复杂体系奇异物理性质的核心问题。其中，电荷密度波（Charge-Density Wave, CDW）与超导序的相互作用尤为关键，理论上预言这种相互作用可能导致更奇特的量子态，如有限动量配对的配对密度波（Pair-Density Wave, PDW）。然而，由于固态系统中微观相互作用的复杂性，实验上直接观测并调控这些序参量间的耦合极具挑战。量子气体，尤其是相互作用强度达到极致的幺正费米气体（Unitary Fermi Gas），提供了一个高度可控的理想平台，其哈密顿量已知，相互作用可调，并且能够直接观测宏观序参量。与此同时，腔量子电动力学（cavity QED, cQED）技术通过相干光-物质相互作用，可以诱导出超辐射相变。将cQED与量子气体结合，为研究多序参量耦合开辟了新途径。

此前，cQED中的自组织相变主要涉及光场与单个原子的耦合。本研究由Timo Zwettler、Filip Marijanovic等来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）等机构的研究团队合作，在《Nature Communications》上报道了他们在幺正费米气体中实现光场同时与单个原子和费米子对耦合的重大突破。这种耦合，结合费米气体中固有的强关联效应，首次在实验中观测到了电荷密度波与配对密度波的干涉现象，为理解和调控复杂量子序提供了全新的实验系统。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，制备了低温（T/T_F≈ 0.12）、大原子数（N ≈ 5.2×10⁵）的幺正⁶Li费米气体并将其约束于高精细度光学腔内；其次，利用横向泵浦激光和光缔合（Photoassociation, PA）技术，实现了腔光子同时与原子密度和原子对密度（通过Tan’s接触表征）的色散耦合，并可通过调节泵浦光强度和相对于PA共振的失谐（Δ_m）来独立调控耦合强度；最后，通过实时监测腔光子泄漏速率，探测超辐射相变的临界点，并绘制出随耦合参数变化的相图。

2.1 耦合序参量

研究人员构建了一个包含三个序参量的朗道-金兹堡自由能理论模型：腔场的同相正交分量（X）、电荷密度波振幅（Θ）和配对密度波振幅（Π）。模型显示，这三个序参量通过光-物质耦合（Λ）、光-对耦合（rΛ）以及原子间强相互作用（U）相互联系。当所有耦合协同作用时，系统倾向于形成交织序；而当光-对耦合符号相反时，则会出现序参量间的阻挫竞争。这种多于两个序参量的耦合导致了相边界呈现出独特的Fano线型，这是仅有两个序参量的系统所无法实现的。

2.2 实验观测

实验上，通过扫描泵浦光强度并监测腔光子通量，直接观测到了超辐射相变。当改变光-对耦合的失谐Δ_m（正负号控制耦合是协同还是竞争）时，临界泵浦强度V_0C表现出明显的不对称性：在Δ_m< 0（协同）时，临界强度降低；在Δ_m> 0（竞争）时，临界强度升高。这清晰地证明了原子对散射对超辐射相变的贡献，并且是三种序参量相互作用的直接证据。为了定量分析，研究人员测量了在不同Δ_m下，临界约化光-物质耦合强度D_0C随腔失谐的变化。结果表明，D_0C相对于纯原子耦合的情况（Δ_m→ ±∞）在协同侧增强了35%，在竞争侧降低了20%，显示出巨大的原子对相互作用效应。此外，在非幺正区（BCS和BEC区）以及完全极化的费米气体中的对比实验进一步证实，所观测到的效应确实源于费米气体中的配对关联。

2.3 理论阐释

从微观哈密顿量出发，通过平均场理论和线性响应理论，研究人员推导出了超辐射相变的边界条件方程。该方程将临界耦合强度与费米气体的密度-密度响应（χ_n,n）、密度-配对响应（χ_n,η‘）和配对-配对响应（χ_η,η’）函数联系起来。理论计算表明，相边界的Fano线型直接反映了电荷密度波与配对密度波之间的交叉耦合强度，该耦合源于幺正费米气体中未被探索的高阶关联。采用随机相位近似（RPA）计算得到的理论曲线与实验数据吻合良好。研究还指出，光缔合过程本质上是耦合到了由Tan’s接触所描述的短程配对场，因此超辐射相变可以理解为系统对其散射长度的自发调制，从而形成了配对密度波。

本研究展示了强光场耦合是诱导量子气体中配对密度波形成的一种新机制。这种配对密度波表现为短程配对关联（即Tan’s接触）的空间调制，与强关联电子系统中讨论的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）等PDW态有所不同。它建立在由强接触吸引作用产生的大均匀序参数背景之上。这项工作将cQED的应用范围从单原子散射扩展到了原子对散射，证明了cQED方法能够合成超越两体的强相互作用，为在超冷原子体系中量子模拟更复杂的量子物质（如可能的SO(5)对称性模型）铺平了道路。尽管分子跃迁处的损耗目前限制了对配对耦合占主导区域的深入探索，但未来使用具有长寿命光缔合跃迁的双电子原子（如锶、镱）体系，将有望揭示更多奇异的量子相。同时，腔引起的耗散与分子损失相结合，也可能产生新的关联现象，值得进一步研究。总之，该工作开启了利用光腔调控多体量子态的新篇章，为探索强关联多序参量物理提供了一个强大而灵活的平台。