局域化驱动的零阈值费米子超辐射的观测

《SCIENCE ADVANCES》：Observation of localization-driven zero-threshold fermionic superradiance

　　

理解集体光学响应与无序之间的相互作用是现代多体物理中的重大挑战。尽管近年来已有大量理论研究和广泛关注，但超辐射相变与无序的实验研究尚属空白。研究人员报道了在光学腔中利用简并费米气体实现对局域化驱动的超辐射的观测。研究表明，费米气体的动力学在腔内非公度晶格中表现出安德森局域化(Anderson localization, AL)。在实空间和动量空间中均直接观测到指数局域化。研究人员观测到，当系统处于局域态时，局域化驱动费米子超辐射的泵浦阈值几乎消失。通过测量原子动量分布和超辐射场的特征增长，揭示了自组织的内在机制与原子的量子统计。该工作为在光子介导的长程相互作用费米气体中研究超辐射量子相变和局域化提供了平台。

研究背景

无序与集体激发之间的相互作用是多体物理的核心问题。1958年Anderson预言无序晶格中电子因多重散射路径干涉而出现非扩散行为，即安德森局域化(Anderson localization, AL)，该现象已在光学、声学、电子学与冷原子体系中被验证。另一方面，Dicke超辐射是集体激发的标志性现象，原子与量子化光场的强耦合可导致稳态超辐射量子相变(superradiant quantum phase transition, SQPT)。腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics, CQED)与超冷量子气体的结合为研究光子辅助长程相互作用提供了平台。无序通常使波函数局域化，而超辐射通过诱导长程相互作用使系统退局域化，二者在理论上被广泛讨论，但实验研究尚属空白。针对这一问题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》报道了在光学腔中使用⁶Li简并费米气体实现局域化驱动的零阈值超辐射，揭示了局域化与超辐射相变之间深刻的联系。

关键技术与方法

研究人员利用磁光阱(magneto-optical trap, MOT)和蒸发冷却制备⁶Li简并费米气体，温度T/T_F=0.2，通过Feshbach共振调节至B=528 G无相互作用区；将1064 nm初级晶格与671 nm次级晶格耦合进近共焦Fabry-Perot腔，形成非公度双色晶格；关闭偶极阱后利用吸收成像观测实空间膨胀，利用Bragg谱测量动量分布；随后沿横向施加y偏振泵浦光诱导超辐射，用雪崩光电二极管(avalanche photodiode detector, APD)探测腔透射。

研究结果

1. 腔内非公度晶格中费米气体的安德森局域化

研究人员通过突然关闭谐波势并观测原子云的膨胀动力学，发现在无序强度Δ/J=0时，费米气体呈弹道扩展，均方尺寸满足σ2(t)=σ₀2+v2t2；随着无序强度增大，扩展变为亚扩散输运，当Δ/J>6时原子停止扩展。实空间密度分布尾部服从指数函数拟合，指数α=0.97(0.11)，接近AL理论值1；动量空间测量显示Δ/J=0时存在初级晶格动量峰k_z=0、±2k₁，无序增强后出现两晶格拍频峰，Δ/J>6时中央动量峰显著展宽，高动量尾部拟合指数α_k=1.02(0.09)，说明系统在实空间与动量空间均进入局域化状态。

2. 局域化驱动的零阈值费米子超辐射

在绝热增加横向泵浦强度时，若系统处于扩展态，腔内光子数n_cav表现出明显的泵浦阈值；加入弱无序后，阈值显著下降。当费米子进入局域态，超辐射在几乎为零的泵浦强度下出现，且腔内光子数随泵浦强度连续增长，远大于无无序晶格时的光子数。通过比较不同无序强度下原子动量分布可知，局域态中的原子广泛分布于第一布里渊区，存在满足共振散射条件的动量组分；例如动量k_z=2(k_p?2k₁)的原子可激发至k_z=3k_p?